วัดมหาธาตุตั้งอยู่ในบริเวณริมแม่น้ำน้อยและปากคลองศรีบัวทองเดิม ซึ่งเป็นทางเชื่อมไปยังเมืองโบราณดงคอน ในสมัยสุโขทัยใกล้เข้าสู่ยุคกรุงศรีอยุธยา ได้มีการสร้างเจดีย์ประธานและอุโบสถทางทิศตะวันออก ซึ่งเป็นแบบแผนตามคติในสมัยนั้น

ต่อมาเมื่อกรุงศรีอยุธยาเป็นราชธานี วัดแห่งนี้ถูกใช้เป็นท้องพระโรงของผู้ครองเมืองสรรคบุรี ดังที่ในปัจจุบันมีการเรียกบริเวณวัดว่าหน้าพระลาน และมีการขยายวิหารหลวงและระเบียงคดไปทางทิศเหนือสมัยที่เจ้ายี่พระยามาครองเมืองสรรคบุรี หลังจากนั้นก็ได้มีการบูรณะวัดมหาธาตุแห่งนี้เรื่อยมา จนมาถึงช่วงเสียกรุงศรีอยุธยาครั้งที่ 2 เมืองสรรคบุรีจึงได้ร้างอยู่ช่วงเวลาหนึ่ง ในวันที่ 7 ตุลาคม พ.ศ. 2444 หรือรัตนโกสินทรศก 120 พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวรัชกาลที่ 5 ได้เสด็จมายังวัดแห่งนี้และได้มีความในจดหมายเหตุดังนี้

“ วัดมหาธาตุในตำบลบ้านเรียกว่าบ้านพระลานอันเป็นที่ตั้งวังเจ้าผู้ครองเมืองอยู่ในกลางย่านระหว่างคูเมืองทั้งสองด้าน วัดมหาธาตุนั้นตามฝีมือทำเป็น 2 คราวฤา 3 คราว ชั้นเดิมทีเดียวเปนอย่างเมืองละโว้ ชั้นที่ 2 เปนอย่างลพบุรี เป็นการที่ทำเพิ่มซ้ำ ๆ กันลงไป เช่นตัวอย่างที่เห็นชัดเจนคือ พระระเบียงเดิมเป็นพระศิลานั้ง เว้นห้องหนึ่งมีห้องหนึ่ง ครั้นภายหลังทำแทรกลงในห้องว่างทุก ๆ ห้อง เปนพระก่ออิฐ แลขยายระเบียงคดต่ออกไปเอามุมเปนกลาง อย่างเช่นวัดพระศรีรัตนศาสดาราม

พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัวรัชกาลที่ 6 เสด็จเมื่อวันที่ 20 กันยายน พ.ศ. 2459 เวลาเช้า 4 โมงเสด็จแต่กลับพลับพลาหน้าที่ว่าการอำเภอสิงห์ขึ้นไปประทับร้อนพลับพลาวัดมหาธาตุเมืองแพรกศรีราชา คือเมืองสรรค์เก่าท้องที่อำเภอสรรค์ จังหวัดชัยนาทบุรี มณฑลนครสวรรค์ระยะทาง 4 ชั่วโมงประทับเสวยแล้วเสด็จแต่วัดมหาธาตุขึ้นไปออกปากแพรกล่องลงไปประทับพลับพลาวัดพระบรมธาตุจังหวัดชัยนาทบุรี ระยะทาง 2 ชั่วโมง

วันที่ 15 ตุลาคม พ.ศ. 2519 พระบาทสมเด็จพระวชิรเกล้าเจ้าอยู่หัว หรือ สมเด็จพระบรมโอรสาธิราชฯสยามมงกุฎราชกุมาร (ยศในขณะนั้น) ได้เสด็จฯยังวัดมหาธาตุเพื่อทอดพระเนตรโบราณวัตถุและทรงเยี่ยมราษฎรด้วย (พระสมุห์ทิ้งจิตตสลโล) เจ้าอาวาสรับเสด็จฯ ณ อุโบสถและได้ถวายพระเครื่องเมืองสรรค์จำนวน 3 องค์แด่สมเด็จฯด้วย

วันที่ 30 ตุลาคม พ.ศ. 2535 สมเด็จพระกนิษฐาธิราชเจ้า กรมสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี เสด็จฯพานักเรียนนายร้อยพระจุลจอมเกล้าศึกษาประวัติศาสตร์ ณ วัดมหาธาตุและทรงเยี่ยมราษฎรด้วยพร้อมกันนั้นพระองค์ได้ทรงถวายเงินบำรุงวัดจำนวน 3,000 บาทพร้อมเครื่องอัฐบริขารแค่เจ้าอาวาส (พระครูชัยกิจโสภณเจ้าอาวาสรับเสด็จฯ ณ อุโบสถ)