วิหารหลวง หรือพระอุโบสถตั้งอยู่บริเวณนอกเขตพระระเบียง ทางด้านใต้ของพระบรมธาตุเจดีย์ สร้างในสมัยสุโขทัยสร้างรัชสมัยสมเด็จพระเจ้าทรงธรรม ต่อมาวิหารทรุดโทรมลงเจ้าพระยานครศรีธรรมราช (น้อย) จึงได้ปฏิสังขรณ์ขึ้นในปี พ.ศ. ๒๓๕๔-๒๓๘๒ วิหารหลังนี้จึงมีคุณค่าในแง่ของการสืบทอดรูปแบบทางสถาปัตยกรรมอันเป็นเอกลักษณ์ตั้งแต่สมัยอยุธยา มีความกว้างใหญ่และงดงาม วิหารหลวงเป็นอาคารหลังคาคลุมทรงไทยประเพณี ขนาด ๑๓ ห้อง ก่อผนังสูงมีช่องหน้าต่างถี่ ประตูด้านหน้าเป็นซุ้มทรงยอดปราสาทและซุ้มทรงบันแถลง หลังคาซ้อน ๓ ชั้น ๓ ตับ ประดับช่อฟ้าใบระกาหางหงส์ มีมุขประเจิดยื่นหน้าหลัง หน้าบันไม้จำหลักรูปพระอินทร์ทรงช้างเอราวัณ มีเสาพาไลเป็นเสากลมเอนสอบเข้ารองรับ ๔๐ ต้น เสาภายใน ๒๔ ต้น ชายคาโดยรอบมีคันทวยค้ำยันเสาพาไล ห้องระหว่างเสา ๑๓ ต้นปลายเสาแบนราบเข้าหากันแบบอยุธยาทำให้ดูอ่อนช้อยงดงามมาก ด้านหน้าของวิหารแกะสลักไม้รูปพระอินทร์ทรงช้างเอราวัณ มีภาพแกะสลักที่วิจิตรงดงามมาก ด้านหลังของวิหารแกะสลักเป็นพระนารายณ์ทรงครุฑ เพดานเขียนลายไทยปิดทองมีลายดารกาเป็นแฉกงดงามมาก หลังคามีช่อฟ้าและใบระกา พระประธานภายในวิหารหลวงชื่อพระศรีศากยมุนีศรีธรรมราชเป็นพระพุทธรูปปางมารวิชัย สร้างสมัยอยุธยาตอนต้นรูปแบบสกุลช่างภาคใต้ สร้างด้วยการก่ออิฐถือปูนลงรักปิดทอง ด้านข้างมีพระสาวกซ้ายและขวา คือพระโมคคัลานะและพระสารีบุตร และมีพระพุทธรูปยืนอีกหลายองค์ วิหารหลวงนี้ใช้งานเป็นอุโบสถเพราะมีใบเสมาล้อมรอบ

คำว่า "วิหารหลวง" เรียกกันเช่นนี้ก็เพราะถือว่าวิหารนี้เป็นของกลางที่พุทธศาสนิกชนทุกหนทุกแห่งมีสิทธิ์ใช้ร่วมกัน ในสมัยแรกพระสงฆ์ไม่ได้จำพรรษาที่วัดพระมหาธาตุฯ แต่จำพรรษาที่วัดอื่น ๆ ซึ่งอยู่รายรอบวัดพระมหาธาตุฯ ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะต้องการให้วัดพระมหาธาตุเป็นของส่วนกลางจริง ๆ ดังนั้นวิหารซึ่งมีมาแต่เดิมและใช้ประกอบพิธีสักการบูชาพระบรมธาตุร่วมกันนี้จึงเรียกกันว่าพระวิหารหลวง ต่อมาได้มีการดัดแปลงพระวิหารหลวงเป็นอุโบสถ แต่ผู้คนก็ยังเรียกพระวิหารหลวงอยู่เช่นเดิม หาได้เรียกพระอุโบสถไม่ วิหารหลวงนับเป็นพระวิหารที่งดงามมากฝีมือในการสร้างแสดงออกถึงความเจริญทางศิลปะและเชิงช่างเป็นอย่างดี หากจะหาสิ่งก่อสร้างประเภทโบสถ์หรือวิหารสมัยใหม่มาเทียบกับพระวิหารหลวงในแง่ความประณีตสวยงามและมีศิลปะกันแล้ว คงจะหาที่ไหนมาเทียบได้อีกแล้ว โดยเฉพาะการวางเสาซึ่งอาศัยศิลปะแบบอยุธยาตอนต้นนั้นหาดูได้ยากยิ่ง พระวิหารที่มีความเก่าแก่ควบคู่มากับพระบรมธาตุเจดีย์แห่งนี้จึงเป็นโบราณสถานที่ควรแก่การหวงแหนและบำรุงรักษาเป็นอย่างยิ่ง

พระศรีศากยมุนีศรีธรรมราช เป็นพระพุทธรูปขนาดใหญ่ประดิษฐานเป็นองค์พระประธานในวิหารหลวง มีลักษณะงดงามด้วยศิลปะสมัยอยุธยาตอนต้น มีขนาดหน้าตัก ๓ วา ๑ ศอก ๑๒ นิ้ว ประดิษฐานบนฐานชุกชี ด้านหน้าองค์พระ ประดิษฐานอัครสาวกซ้ายขวาคือพระโมคคัลลานะและพระสารีบุตร