หมู่สถูปของพระบรมธาตุเจดีย์ เป็นศูนย์กลางของศาสนสถานภายในวัดพระมหาธาตุ ประกอบด้วย พระบรมธาตุเจดีย์ เป็นเจดีย์ขนาดใหญ่หนึ่งองค์ที่ตั้งอยู่บนฐานสี่เหลี่ยมสูง เจดีย์ทิศ 4 องค์ที่มุมของฐาน และเจดีย์ราย 120 องค์ล้อมรอบฐานเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสจำนวนสามชั้น พระบรมธาตุเจดีย์ตั้งอยู่บนพื้นทรายที่สูงจากระดับน้ำทะเลปานกลาง ประมาณ 5.25 เมตร

พระบรมธาตุเจดีย์ เจดีย์ประธานที่บรรจุพระบรมสารีริกธาตุ มีฐานสี่เหลี่ยมกว้างด้านละ 29.20 เมตร สูง 5 เมตร ฐานทรงกลมขององค์ระฆังสูง 3.10 เมตร และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 21.98 เมตร  ส่วนองค์ระฆังเองสูง 9.80 เมตร บัลลังก์ซึ่งมีลักษณะเป็นแท่งสี่เหลี่ยมขนาดใหญ่ระหว่างองค์ระฆังและปล้องไฉนมีความสูง 5.30 เมตร และปล้องไฉนสูง 20.7 เมตร ส่วนปลียอดที่ประดับอย่างวิจิตรด้วย  แผ่นทองคำแท้และอัญมณีมีความสูง 12.09 เมตร เจดีย์ทิศสี่องค์อยู่ที่มุมซึ่งมีรูปทรงแบบเดียวกับเจดีย์ประธาน ส่วนบนขององค์ระฆังใกล้กับบัลลังก์มีเสาทำด้วยหินแกรนิตหลายต้นตั้งตระหง่านอย่างเป็นระเบียบ ซึ่งลักษณะเช่นนี้ไม่ปรากฏในเจดีย์ประธานของศาสนสถานอื่น ๆ ในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ เสาเหล่านี้อาจเคยเป็นส่วนหนึ่งของสถาปัตยกรรมที่เก่ากว่า เช่น กรอบประตูและเสาของเทวาลัยฮินดูเก่าแก่ในพื้นที่วัดพระมหาธาตุ เนื่องจากส่วนประกอบสถาปัตยกรรมหินแกรนิตเหล่านี้พบได้บ่อยในเทวาลัยฮินดู แต่ไม่เป็นที่นิยมในอารามพุทธศาสนาบนคาบสมุทรภาคใต้ของไทย หินแกรนิตเหล่านี้บางส่วนมีการกระจุกตัวอยู่บนเนิน ซึ่งเป็นที่ประดิษฐานของวิหารพระพุทธบาทหลังใหม่ทางตอนเหนือของวัดพระมหาธาตุ

พระบรมธาตุเจดีย์สร้างขึ้นโดยได้รับอิทธิพลทางสถาปัตยกรรมจากอินเดียและอินโดนีเซีย (ชวา  ภาคกลาง) การออกแบบแผนผังของสิ่งปลูกสร้างขนาดใหญ่นี้ได้รับการวางแผนอย่างรอบคอบเพื่อแสดงถึงแผนผังมณฑลสามมิติ (แผนผังจักรวาลอันศักดิ์สิทธิ์) โดยมีชั้นแนวนอนสามชั้นเป็นสี่เหลี่ยมที่ประกอบไปด้วยเจดีย์รายล้อมรอบฐานสี่เหลี่ยมขนาดใหญ่ของพระบรมธาตุเจดีย์ มีสัดส่วนโดยประมาณดังนี้ เจดีย์ชั้นในสุดมีความสูง 9.98 เมตร และฐานสี่เหลี่ยมกว้าง 3.75 เมตร เจดีย์ชั้นกลางมีความสูง  7.95 เมตร และฐานสี่เหลี่ยมกว้าง 2.95 เมตร ส่วนเจดีย์ชั้นนอกสุดมีความสูง 7 เมตร และฐานสี่เหลี่ยมกว้าง 2.25 เมตร ความสูงของเจดีย์ราย เหล่านี้จะค่อย ๆ ลดลงจากชั้นในสุดไปยังชั้นนอกสุด ตัวเจดีย์จัดเรียงอย่างสมมาตรและเป็นระเบียบตามแนวรัศมีที่แผ่ออกจากเจดีย์ประธาน ทำให้เกิดรูปลักษณ์ของการขึ้นสู่ภพภูมิที่สูงขึ้นอย่างอัศจรรย์
      ค่าอายุทางวิทยาศาสตร์จากการขุดค้นทางโบราณคดีที่ฐานของพระบรมธาตุเจดีย์และเจดีย์รายบ่งชี้ว่าโบราณสถานเหล่านี้น่าจะสร้างขึ้นครั้งแรกในช่วงปลายพุทธศตวรรษที่ 13 ถึงต้นพุทธศตวรรษที่ 15 กรมศิลปากรได้ขุดค้นที่ฐานสี่เหลี่ยมของมหาเจดีย์และพบแถวอิฐขนาดใหญ่ที่เรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ บางก้อนมีขนาดกว้างถึง 28 ยาว 40 และหนา 10 เซนติเมตร ซึ่งมีขนาดใกล้เคียงกับอิฐในแหล่งโบราณสถานยุคประวัติศาสตร์ตอนต้นในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ตัวอย่างอิฐจากแถวอิฐที่เรียงตัวอย่างเป็นระเบียบจากหลุมทดสอบที่ฐานของมหาเจดีย์ถูกเก็บรวบรวมเพื่อนำไปหาค่าอายุด้วยวิธีเรืองแสง  ความร้อน (Thermoluminescence (TL)) และ Accelerator Mass Spectrometry (AMS) ที่ห้องปฏิบัติการหลายแห่ง ผลการหาค่าส่วนใหญ่มีความสอดคล้องกันเป็นอย่างดี โดยค่าจาก TL ส่วนใหญ่ ได้แก่ พ.ศ. 1307 - 1441, 1323 - 1435, 1331 - 1461, 1365 - 1473 และ 1379 – 1485 ในขณะที่ค่าจาก AMS คือ พ.ศ. 1393 - 1453 ปีเหล่านี้สอดคล้องกับผลการกำหนดอายุทางวิทยาศาสตร์จากการขุดค้นทางโบราณคดีที่ฐานของเจดีย์ราย ค่าอายุจาก TL ทั้งหมด ได้แก่ พ.ศ. 1421 - 1523 และ 1382 - 1508 และค่าอายุจาก AMS ได้แก่ พ.ศ. 1318 - 1333 และ 1343 - 1523 (Ueasaman 2022: 211 - 218) ดังนั้น จึงมีความเป็นไปได้สูงที่พระบรมธาตุเจดีย์และเจดีย์รายสร้างขึ้นพร้อมกันตาม ผังมณฑล ราวปลายพุทธศตวรรษที่ 13 ถึงต้นพุทธศตวรรษที่ 15

ผังมณฑลนี้ใช้ในสถาปัตยกรรมฮินดูและบ่อยครั้งใช้ในการจัดวางสถาปัตยกรรมพุทธศาสนามหายาน ตัวอย่างที่เด่นชัดคือแผนผังวัดพุทธศาสนามหายานในชวาภาคกลาง (อินโดนีเซีย) อายุราว   พุทธศตวรรษที่ 13 - 14 เช่น บุโรพุทโธ วัดเซวู และวัดเพลาสัน รวมถึงโบราณสถานเขาคลังนอก (เมืองโบราณศรีเทพ ภาคกลางตอนบนของไทย) ซึ่งมีเทวาลัยฮินดูเพียงไม่กี่แห่งที่ใช้ผังมณฑลนี้ เช่น วัดปรัมบานัน (ชวาภาคกลาง) ในพุทธศตวรรษที่ 14 และพนมบาแค็ง (เมืองพระนคร ประเทศกัมพูชา) ราวปลายพุทธศตวรรษที่ 13 เห็นได้ชัดว่าผังมณฑลนี้เป็นที่นิยมมากที่สุดในชวาภาคกลาง วัดทั้งหมดที่กล่าวถึงนี้ปัจจุบันถูกทิ้งร้าง ข้อเท็จจริงนี้ทำให้พระบรมธาตุเจดีย์ที่วัดพระมหาธาตุซึ่งยังคงมีการใช้งานเป็นตัวอย่างที่มีอายุยืนยาวที่สุดของผังในลักษณะมณฑลในภูมิภาคเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ภาคพื้นสมุทร

ความเชื่อมโยงระหว่างชวากลางและนครศรีธรรมราชยังได้ปรากฎหลักฐานสำคัญคือจารึกหมายเลข 23 หรือที่เรียกว่าจารึกลิกอร์ พบที่วัดเสมามืองอยู่ห่างจากวัดพระมหาธาตุเพียง 1.50 กิโลเมตร  จารึกนี้เขียนเป็นภาษาสันสกฤตด้วยอักษรปัลลวะที่ได้รับการดัดแปลงแล้ว ด้านบีของจารึกที่เรียกว่า ลิกอร์ บี (Ligor B) กล่าวถึงกษัตริย์ที่อาจชื่อวิษณุแห่งราชวงศ์ไศเลนทร์จากชวากลาง และตามที่เฮอร์มันน์ คุลเค (2559) ได้เสนอไว้ จากรูปแบบตัวอักษรอาจมีอายุช่วงปลายพุทธศตวรรษที่ 14 ในขณะที่ด้านเอ หรือลิกอร์ เอ (Ligor A) มีการระบุ พ.ศ. 1318 และกล่าวถึงกษัตริย์แห่งศรีวิชัย อาณาจักรสำคัญในภูมิภาคเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ภาคพื้นสมุทร ซึ่งมีเครือข่ายการค้าและพุทธศาสนามหายานอย่างกว้างขวาง
         พระบรมธาตุเจดีย์ของวัดพระมหาธาตุมีฐานสี่เหลี่ยมสูงพร้อมบันไดหนึ่งทางตั้งอยู่ทางทิศเหนือ บนฐานสูงนี้มีพระบรมธาตุเจดีย์ตั้งอยู่ตรงกลาง และมีเจดีย์ทิศ 4 องค์ในรูปแบบเดียวกับพระบรมธาตุเจดีย์ที่มุมทั้งสี่ จัดเรียงเป็นแผนผังแบบห้าองค์ (quincunx) อันศักดิ์สิทธิ์ คล้ายกับเจดีย์หมายเลข 3 ที่นาลันทาในอินเดีย องค์ระฆังของพระบรมธาตุมีรูปทรงกระบอกหนา แตกต่างจากองค์ระฆังของเจดีย์ศรีลังกา และปยู (ในเมียนมา) แต่คล้ายกับศิลปะปาละในอินเดียตะวันออกเฉียงเหนือ เช่น เจดีย์ที่นาลันทา ในพุทธศตวรรษที่ 13 ซึ่งมีอิทธิพลต่อรูปแบบเจดีย์ที่บุโรพุทโธ และวัดเซวู อย่างไรก็ตาม พระบรมธาตุเจดีย์มีองค์ระฆังขนาดใหญ่ที่สุดในบรรดาเจดีย์แบบนี้ทั้งหมดในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้และยังคงใช้งานอยู่ ซึ่งเป็นการยืนยันถึงความสำคัญระดับสากลของแหล่งมรดกแห่งนี้ องค์ระฆังทรงกระบอกของพระบรมธาตุเจดีย์ยังเป็นแบบอย่างให้วัดอื่น ๆ ในภาคใต้ของประเทศไทย เช่น วัดเขียนบางแก้ว วัดพะโคะ และวัดพระบรมธาตุสวี
         ราวพุทธศตวรรษที่ 17 -18 บัลลังก์ของพระบรมธาตุเจดีย์น่าจะได้รับการปรับเปลี่ยนเป็นแบบสี่เหลี่ยมขนาดใหญ่ของศรีลังกา เช่นเดียวกับเจดีย์ที่โปลนนารุวะ ภาพแบบจำลองพื้นผิวดิจิทัล (DSM) ที่ถ่ายด้วยโดรนโดยใช้เทคนิคการถ่ายภาพเชิงภูมิศาสตร์ยิ่งสนับสนุนสมมติฐานนี้ จากภาพถ่ายแสดงให้เห็นว่าบัลลังก์ระหว่างองค์ระฆังและและปล้องไฉนนั้นเอนออกและไม่ตรงกับฐานสี่เหลี่ยมจัตุรัสของพระบรมธาตุเจดีย์ ซึ่งบ่งชี้ว่าสิ่งปลูกสร้างเหล่านี้อาจไม่ได้รับการสร้างขึ้นในเวลาเดียวกัน บัลลังก์ดั้งเดิมแบบปาละ ซึ่งโดยปกติจะมีขนาดเล็กและย่อมุม ในช่วงปลายพุทธศตวรรษที่ 13 ถึงต้นพุทธศตวรรษที่ 15 อาจถูกสร้างขึ้นใหม่เป็นแบบสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาดใหญ่แบบศรีลังกาในช่วงพุทธศตวรรษที่ 17 - 18 และในช่วงเวลาต่อมา ฐานนี้ได้รับการตกแต่งอย่างสวยงามด้วยเครื่องเคลือบดินเผาจากจีน ซึ่งแสดงถึงเครือข่ายการค้าทางทะเลที่กว้างขวางของนครศรีธรรมราช

         ส่วนซุ้มวงโค้งที่ครอบประติมากรรมช้างที่ฐานพระมหาธาตุเจดีย์แบบศรีลังกา น่าจะถูกเพิ่มเข้ามาราวพุทธศตวรรษที่ 17 - 18 แม้ว่าจะมีความเป็นไปได้ว่าซุ้มเหล่านี้อาจเป็นลักษณะดั้งเดิมตั้งแต่ช่วงปลายพุทธศตวรรษที่ 13 ถึงต้นพุทธศตวรรษที่ 15 โดยตัวอย่างที่โดดเด่นของรูปปั้นช้างรอบฐานเจดีย์ในศรีลังกา ได้แก่ เจดีย์รุวันเวลิเสยะในเมืองอนุราธปุระ ซึ่งได้รับการบูรณะโดยพระเจ้าปรากรมพาหุที่ 1 (พ.ศ. 1696 - 1729) แห่งอาณาจักรโปลนนารุวะ

การบูรณะครั้งใหญ่ทางด้านประวัติศาสตร์ศิลปะนี้ตรงกับการกำหนดอายุแบบ TL จากการขุดค้นทางโบราณคดีที่ฐาน (ข้างซุ้มช้าง) ของพระบรมธาตุ ชั้นของอิฐจำนวนมากได้รับการกำหนดอายุแบบ TL ได้แก่ พ.ศ. 1558 - 1662, 1571 - 1663, 1566 - 1668, 1055 - 1598, 1614 - 1706, 1627 - 1721   และ 1780 - 1848 (ช่วงปีสุดท้ายนี้มาจากชั้นอิฐชั้นบนสุดในการขุดค้น) นอกจากนี้ ยังพบอิฐที่แตกหักอยู่บนชั้นอิฐที่เรียงกันอย่างเป็นระเบียบในการขุดค้น ซึ่งกำหนดอายุแบบ TL ได้แก่ พ.ศ. 1988 - 2046,   2001 - 2047 และ 2002 - 2048 ข้อมูลเหล่านี้บ่งชี้ว่ามีการบูรณะพระบรมธาตุเจดีย์และทางเดินเวียนรอบฐานครั้งใหญ่ในช่วงพุทธศตวรรษที่ 16 - 17 พุทธศตวรรษที่ 18 และครึ่งหลังของพุทธศตวรรษที่ 18 แสดงให้เห็นว่ากลุ่มอาคารที่ยังคงใช้งานอยู่แห่งนี้ได้รับการบำรุงรักษาและอนุรักษ์ไว้อย่างดีตลอดยุคสมัยต่าง ๆ

องค์ประกอบทางสถาปัตยกรรมแบบมอญยังมีอิทธิพลต่อรูปแบบของพระบรมธาตุเจดีย์ในราว   พุทธศตวรรษที่ 20 - 22 เช่น การตกแต่งปลียอดด้วยทองคำแท้ซึ่งไม่พบในศรีลังกา พงศาวดารท้องถิ่นของนครศรีธรรมราชยังกล่าวถึงกษัตริย์องค์แรกที่เป็นอัครศาสนูปถัมภกของพุทธศาสนาเถรวาทผู้มาจากหงสาวดี เมืองหลวงของมอญโบราณในเมียนมาตอนใต้ เจดีย์ในย่างกุ้งที่มีชื่อเสียงซึ่งได้รับอิทธิพลจากมอญ มีปลียอดตกแต่งด้วยทองคำ ได้แก่ เจดีย์ชเวดากอง ซึ่งรูปแบบในปัจจุบันสามารถสืบย้อนไปถึงพุทธศตวรรษที่ 20

ปลียอดของพระบรมธาตุได้รับการประดับตกแต่งเพิ่มเติมอย่างต่อเนื่องตลอดช่วงสมัยอยุธยาด้วยทองคำและอัญมณีต่าง ๆ ในช่วงเวลาหลายปี เช่น พ.ศ. 2155, 2192, 2213, 2229, 2230, 2231, 2235, 2242 และ 2277 หลังจากนั้น โดยเฉพาะในสมัยธนบุรีและรัตนโกสินทร์มีการบูรณะปลียอดขององค์พระบรมธาตุเจดีย์ด้วยทองคำและเครื่องประดับมีค่า เช่น แหวน ซึ่งแสดงถึงความศรัทธาอย่างลึกซึ้งของประชาชนที่มีต่อพระบรมธาตุเจดีย์นั้นเกิดขึ้นอยู่เป็นระยะ ๆ และยังคงสืบเนื่องมาจนถึงทุกวันนี้ ปัจจุบัน แผ่นทองคำทั้งหมดมีน้ำหนักรวม 197.45 กิโลกรัม ทองคำและของมีค่าสำหรับการนี้ได้รับการบริจาคจาก  ผู้มีจิตศรัทธาหลากหลายกลุ่ม ได้แก่ พระสงฆ์ ประชาชนทั่วไป เชื้อพระวงศ์ และเหล่าข้าราชการ โดยแผ่นทองคำแต่ละแผ่นจะสลักเป็นภาษาไทย ซึ่งมักประกอบด้วยชื่อและที่อยู่ของผู้บริจาค วันที่บริจาค น้ำหนักของทองคำ และความปรารถนาสูงสุดของผู้บริจาค โดยทั่วไป ความปรารถนาที่สลักไว้ได้แก่การบรรลุสมบัติสูงสุด 3 ประการ คือ มนุษย์สมบัติ สวรรค์สมบัติ และนิพพานสมบัติ รวมทั้งความปรารถนาที่จะได้พบ   พระศรีอริยเมตไตรย แสดงให้เห็นถึงการผสมผสานระหว่างพุทธศาสนาเถรวาทและมหายาน ปลียอดทองคำนี้ทำให้พระบรมธาตุเจดีย์มีลักษณะที่ยิ่งใหญ่และเป็นเอกลักษณ์เฉพาะ จนทำให้เป็นหนึ่งในเจดีย์ที่ยังคงมีการใช้งานที่โดดเด่นในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้
         ในฐานะที่เป็นศูนย์กลางของวัดพระมหาธาตุ หมู่สถูปของพระบรมธาตุเจดีย์เป็นศูนย์กลางทาง  จิตวิญญาณของประเพณีที่มีชีวิตอันหลากหลายและฝังรากลึก โดยเกี่ยวข้องกับความเชื่อท้องถิ่น ศาสนาฮินดู และพุทธศาสนา ผสานกันอย่างลงตัว ประเพณีที่มีชีวิตซึ่งมีความสำคัญในระดับสากล ได้แก่ ประเพณีสารทเดือนสิบ พิธีแห่ผ้าขึ้นธาตุ การแสดงโนรา และการสวดพระนิพพานโสตรหรือตำนานของเมืองนครศรีธรรมราชที่วัดพระมหาธาตุ