หลักเมือง หรือรู้จักกันในนาม ศาลหลักเมือง เป็นโบราณสถานอาคารเดี่ยวขนาดเล็กทางทิศเหนือคูน้ำของวัดมหาธาตุ สันนิษฐานว่า เป็นศาลหลักเมืองของเมืองสุโขทัยหลักเมืองมีลักษณะทางกายภาพเป็นอาคารทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัสยกพื้นสูง ด้านบนมีฐานบัวก่อด้วยอิฐรองรับเสาแปดเหลี่ยมศิลาแลง มีบันไดทางขึ้นทางทิศตะวันออก แต่เดิมคาดว่ามีหลังคามุงด้วยกระเบิ้องและเครื่องบนทำจากไม้ ปัจจุบัน ชำรุดสิ้นสภาพ ฐานอิฐกว้าง 3 เมตร สูง 1.50 เมตร จากการสันนิษฐานทางโบราณคดี หลักเมืองนี้คงจะสร้างขึ้นพร้อมกับการสร้างเมืองสุโขทัยเมื่อรัชสมัยพ่อขุนศรีอินทราทิตย์ในราวปี พ.ศ. 1781 โดยย้ายจากหลักเมืองบริเวณวัดพระพายหลวง แล้วสร้างเมืองใหม่บริเวณที่มีวัดมหาธาตุเป็นศูนย์กลาง จึงต้องสร้างหลักเมืองขึ้นใหม่โบราณสถานแห่งนี้สันนิษฐานว่าเป็นหลักเมืองโดยพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว ปรากฏในพระราชนิพนธ์ เที่ยวเมืองพระร่วง เนื้อหาว่า ทางทิศเหนือของวัดมหาธาตุริมวัดชนะสงคราม ราษฎรกล่าวว่าเป็นศาลหลักเมือง ทรงให้พระวิเชียรปราการตรวจโบราณสถานแห่งนี้ซึ่งแจ้งว่าเป็นหลักเมือง เมื่อครั้งทรงตรวจพบว่าโบราณสถานเป็นเนินดิน เมื่อขุดพบเป็นเสาศิลาแลงสี่มุม ตรงกลางมีหลุมทรงสันนิษฐานว่าเป็นหลุมฝังลูกนิมิต ซึ่งทรงพบแผ่นศิลาหักเป็นสองท่อน ข้อความจารึกเลือนลาง ทรงสันนิษฐานว่าอาจเป็นดวงเมือง ความว่า[1]:35แต่ทางทิศเหนือวัดมหาธาตุ ริมวัดที่เรียกกันว่า วัดชนะสงครามนั้น มีสถานอันหนึ่งซึ่งราษฎรเรียกว่าศาลกลางเมือง [...] คือมีเป็นเนินอยู่เฉย ๆ ก่อนแต่ครั้นให้ถางและขุดลงไป จึงได้เห็นท่าทางพอเดาได้ ว่ามีเสาแลงตั้งขึ้นไปทั้ง ๔ มุม มีมุมละ ๒ เสาซ้อนกันเป็น ๒ ชั้น ที่ตรงกลางเนินมีหลุม [...] ในหลุมนั้นมีศิลาแผ่นแบนทิ้งอยู่แผ่นหนึ่งแต่แตกแยกเป็นสองชิ้น ตรวจดูศิลานั้นก็แลเห็นเป็นลายอะไรเลือน ๆ จึงเหลือที่จะรู้ได้ว่าเป็นอะไร บางทีจะเป็นแผ่นศิลาที่ลงดวงของเมืองก็ได้