ตามหลักฐานทางโบราณคดีเมืองพิจิตรเก่านี้สันนิษฐานตามพงศาวดารเหนือ เรื่องพระยาแกรก[4]:11ได้ว่า อาจเป็นโบราณสถานที่มีมาตั้งแต่ราวพุทธศตวรรษที่ 18 ดังปรากฏว่าสิ่งก่อสร้างที่มีซุ้มจระนำภายในเจดีย์ทรงระฆัง แผ่นอิฐมีจารึกอักษรขอมโบราณ และประวัติการสร้างเมืองพิจิตรเก่าโดยเจ้ากาญจนกุมาร หรือพระยาโคตรบองเทวราช

ต่อมาในสมัยสุโขทัย จึงมีการปฏิสังขรณ์โดยพอกเจดีย์ทรงระฆังทับ สร้างพระวิหาร และขุดคูน้ำล้อมรอบ เนื่องจากเมืองพิจิตรเก่านี้มีความสำคัญเป็นหัวเมืองเอกของสุโขทัย ดังปรากฏชื่อเมืองสระหลวงในจารึกสมัยสุโขทัย

จนกระทั่งในสมัยอยุธยามีการสร้างพระอุโบสถต่อเติมที่ด้านหลังวัดมหาธาตุในแนวแกนของสิ่งก่อสร้างหลัก โดยปรากฏชื่อเมืองพิจิตร ในพระราชพงศาวดารกรุงศรีอยุธยา ฉบับสมเด็จพระนพรัตน์[4]:3