วิหารธรรมศาลา มีลักษณะเป็นโครงสร้างสี่เหลี่ยมผืนผ้ากว้าง 15.10 เมตร ยาว 35.80 เมตร และสูง 11.60 เมตร ตั้งอยู่ทางด้านทิศตะวันออกของกลุ่มพระบรมธาตุ การก่อสร้างใช้วิธีการวางฐานรากแบบโบราณ โดยมีการก่อกำแพงอิฐล้อมรอบฐานพื้นที่ที่จะสร้างอาคาร จากนั้นฝังเสาขนาดใหญ่ลงในทราย วิหารนี้แบ่งออกเป็นสามส่วน ได้แก่ โถงด้านหน้า ส่วนกลาง และส่วนท้ายของวิหาร หลังคามีลักษณะเป็นจั่วซ้อนกัน ตกแต่งด้วยลวดลายสถาปัตยกรรมที่ประณีต มีระเบียงยื่นออกมาทั้งด้านหน้าและด้านหลัง โครงสร้างหลังคาใช้จันทันเชื่อมต่อกับคานทุกเส้น โดยวิหารหลังนี้ทะลุผ่านระเบียงคด หรือวิหารพระด้านทางทิศตะวันออก แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงทางเข้าสู่พระบรมธาตุเจดีย์เป็นทางทิศตะวันออก การขุดค้นทางโบราณคดีที่ฐานของวิหารนี้ให้ผลการหาอายุด้วยวิธี TL ได้แก่ พ.ศ. 1965 - 2015 และ 1971 - 2021 ซึ่งบ่งบอกว่าวิหารนี้น่าจะสร้างขึ้นราวพุทธศตวรรษที่ 20 ในช่วงต้นอยุธยาสมัยพระเจ้าอยู่หัวบรมไตรโลกนาถ ซึ่งมีการบูรณะและสร้างสิ่งก่อสร้างครั้งใหญ่ที่วัดพระมหาธาตุ

          สันนิษฐานว่าในตอนแรกวิหารนี้เป็นโครงสร้างเปิดที่ไม่มีผนัง หลังจากที่ได้รับการเปลี่ยนแปลงให้เป็นวิหารปิด จึงได้มีการสร้างพระพุทธปฏิมายืนทรงเครื่อง 2 องค์ขึ้น องค์แรกชื่อว่า พระนางเหมชาลา (สูง 5.8 เมตร) ตั้งอยู่ที่ส่วนท้ายของวิหาร ขณะที่องค์ที่สองชื่อว่า พระทนทกุมาร (สูง 8.40 เมตร) ตั้งอยู่ด้านหน้าของวิหาร ตามตำนานท้องถิ่นกล่าวว่า พระนางเหมชาลาและพระทนทกุมาร เป็นผู้ที่นำพระบรมสารีริกธาตุมายังสถานที่แห่งนี้ พระทนทกุมารถือว่าเป็นพระพุทธรูปทรงเครื่องที่ใหญ่ที่สุดในประเทศไทย ขณะที่พระพุทธรูปเหมชาลามีเอกลักษณ์ด้วยรูปทรงและลักษณะใบหน้าเป็นสตรี พระพุทธรูปยืนทั้งสององค์นี้อาจมีความเกี่ยวข้องกับการสร้างพระอัฏฐารส หมายถึงพระพุทธรูปยืนสูง 18 ศอก ซึ่งเป็นแนวคิดที่แพร่หลายตามขนบทางสถาปัตยกรรมในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ภาคพื้นทวีป โดยเฉพาะที่พุกาม สุโขทัย และอยุธยา พระพุทธปฏิมายืนทรงเครื่อง 2 องค์นี้ถือเป็นหลักฐานของการแลกเปลี่ยนวัฒนธรรมและการรับมาใช้ในการสร้างพระพุทธรูปขนาดใหญ่ตามประเพณีของสุโขทัย และอยุธยา

          ต่อมาได้มีการประดิษฐานพระพุทธรูปปางมารวิชัยชื่อว่า พระธรรมศาลา ไว้กลางวิหาร นอกจากนี้ยังได้มีการสร้างเจดีย์สวรรค์ขึ้น เพื่อบรรจุอัฐิของพระยารามราชท้ายน้ำ เจ้าเมืองนครศรีธรรมราชผู้สละชีพในสงครามเพื่อปกป้องบ้านเมือง ทั้งพระพุทธรูปและเจดีย์สวรรค์สร้างขึ้นเพื่อเป็นเกียรติแก่ บรรพบุรุษที่มีความกล้าหาญและได้สร้างคุณูปการสำคัญให้กับวัดพระมหาธาตุและนครศรีธรรมราช

          ลักษณะโดดเด่นของอาคารหลังนี้คือ หลังคาโค้ง รูปทรงคล้ายเรือที่แล่นอยู่ในมหาสมุทร ซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของเรือโลกุตรนาวา ที่นำพาสรรพชีวิตให้ข้ามพ้นมหาสมุทรแห่งวัฏสังสารหรือการเวียนว่ายตายเกิด

          วิหารนี้มีบทบาทสำคัญสามประการ ประการแรกคือเป็นสถานที่เผยแผ่พระพุทธศาสนา โดยการเทศนาของพระสงฆ์และการเก็บรักษาพระไตรปิฎก ประการที่สองคือเป็นวิหารหลักสำหรับประกอบพิธีสงฆ์ต่าง ๆ ประการที่สามคือเป็นศูนย์กลางในการประกอบพิธีกรรมของรัฐ เช่น พิธีภัทรบท และพิธีดื่มน้ำพิพัฒน์สัตยา วิหารนี้ได้รับการใช้งานอย่างต่อเนื่องมาจนถึงปัจจุบัน โดยเฉพาะในช่วงที่มีการเสด็จพระราชดำเนินมายังจังหวัดนครศรีธรรมราช ได้ใช้วิหารแห่งนี้เป็นสถานที่ประกอบพระราชพิธี ดังเห็นได้จากการเสด็จฯ ของพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว (รัชกาลที่ 4) พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว (รัชกาลที่ 5) พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว (รัชกาลที่ 6)พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวภูมิพล อดุลยเดช (รัชกาลที่ 9) และพระบาทสมเด็จพระวชิรเกล้าเจ้าอยู่หัว (รัชกาลที่ 10)