วิหารศรีธรรมาโศกราช สร้างขึ้นในช่วงสมัยอยุธยาตอนปลาย (ประมาณกลางพุทธศตวรรษที่ 22 ถึงกลางพุทธศตวรรษที่ 23) โดยวิหารนี้เป็นอาคารก่ออิฐถือปูนขนาดเล็ก มีขนาดกว้าง 7.29 เมตร สูง 9.95 เมตร และยาว 9.45 เมตร ตั้งอยู่ใกล้กับวิหารพระแอด โครงสร้างด้านบนของวิหารมีหลังคาจั่วสองชั้นที่แกะสลักด้วยไม้ ด้านหน้าของวิหารมีประตู 2 บานที่ตกแต่งด้วยปูนปั้นสีขาวอย่างงดงาม เช่นเดียวกับหน้าต่างทั้งสองด้านที่ตกแต่งด้วยปูนปั้นสีขาวเช่นกัน ที่ด้านหลังของวิหารมีเจดีย์ทรงระฆังขนาดเล็ก ซึ่งถอดแบบมาจากพระบรมธาตุเจดีย์ โดยเจดีย์นี้ตั้งอยู่บนฐานยกสูง มีบันไดที่ด้านทิศใต้ใช้สำหรับขึ้นไปถึงตัวเจดีย์

ชั้นบนของเจดีย์มีทางเดินแคบ ๆ สำหรับเวียนประทักษิณ โดยมีครุฑปูนปั้นประดับอยู่ที่มุมทั้ง 4 ด้านในวิหารมีพระพุทธรูปขนาดใหญ่ที่ประดับด้วยอัญมณี ซึ่งแต่เดิมประดิษฐานอยู่ในวิหารโพธิ์ลังกา ทางด้านทิศเหนือของวัด ต่อมาพระพุทธรูปองค์นี้ถูกย้ายมาประดิษฐานเป็นพระประธานในวิหารแห่งนี้  และได้รับการขนานนามว่า พระศรีธรรมาโศกราช เพื่อเป็นเกียรติแก่พระเจ้าศรีธรรมโศกราชผู้เป็นปฐมกษัตริย์และผู้ก่อตั้งวัดพระมหาธาตุและนครศรีธรรมราช ตามที่ระบุไว้ในพงศาวดารท้องถิ่น วิหารแห่งนี้สร้างขึ้นโดยนายสามจอม ข้าราชการผู้ดูแลรายชื่อเจ้าหน้าที่ที่ปฏิบัติงานในวัด

          วิหารศรีธรรมาโศกราชแบ่งออกเป็น 2 ส่วน ส่วนด้านหน้าประดิษฐานพระพุทธรูปปางมารวิชัย ทรงเครื่องใหญ่อย่างกษัตริย์ของพระเจ้าศรีธรรมโศกราช ผู้ได้รับการเทิดทูนเป็นเทวราชา ส่วนด้านหลังของวิหารเป็นที่บรรจุอัฐิของตระกูล ณ นคร ซึ่งเป็นผู้ปกครองนครศรีธรรมราชในช่วงต้นกรุงรัตนโกสินทร์ (ปลายพุทธศตวรรษที่ 23 ถึงต้นพุทธศตวรรษที่ 24)

การก่อสร้างวิหารและพระพุทธรูปนี้เกิดขึ้นจากศรัทธาอันลึกซึ้งต่อพระเจ้าศรีธรรมโศกราชผู้ก่อตั้งอาณาจักรนครศรีธรรมราช และความสัมพันธ์อันแนบแน่นกับพระพุทธศาสนา ทำให้วิหารแห่งนี้กลายเป็นสถาปัตยกรรมที่สะท้อนถึงเจตนารมณ์ในการเสริมสร้างและเผยแผ่ศรัทธาในพระพุทธศาสนา โดยมีพระภิกษุและฆราวาสประกอบพิธีกรรมทางศาสนาเป็นประจำทุกวัน