วิหารหลวง เป็นพระอุโบสถของวัดพระมหาธาตุ มีขนาดกว้าง 16.60 เมตร ยาว 56.00 เมตร  และสูง 22.02 เมตร ตั้งอยู่ทางทิศใต้ของพระบรมธาตุเจดีย์ พระอุโบสถแห่งนี้ล้อมรอบด้วยกำแพงเตี้ยรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า การขุดค้นทางโบราณคดีที่ฐานรากของกำแพงเหล่านี้แสดงผล TL ว่ามีอายุราว พ.ศ. 1952 - 1959, 1967 - 2017 และ 1976 - 2026 ซึ่งบ่งชี้ว่ากำแพงของวิหารนี้ถูกสร้างขึ้นในช่วงพุทธศตวรรษที่ 20 ตรงกับสมัยอยุธยาตอนต้น

          อาคารนี้เดิมเป็นวิหารที่มีเจดีย์สูง 14 เมตร โดยมีมณฑปซ้อนอยู่ด้านบน (Kerdsiri 2017) ภายในมณฑปแต่ละด้าน มีพระพุทธรูป 8 องค์ รวมทั้งพระพุทธรูปประธานอีกด้านละ 1 องค์ รวมเป็นพระพุทธรูป 36 องค์ จัดเรียงเป็นแบบแผนผังมัณฑละ แนวแกนของยอดมณฑปสอดรับกับพระบรมธาตุเจดีย์และวิหารโพธิ์ลังกาในทิศเหนือ – ใต้ ตามที่ปรากฏในตำนานพระบรมธาตุเมืองนครศรีธรรมราช ซึ่งบ่งชี้ว่าวิหารนี้เคยเป็นมณฑปครอบเจดีย์

          ใน พ.ศ. 2319 เมื่อครั้งสมเด็จพระเจ้าตากสินมหาราชทรงแต่งตั้งพระเจ้านครศรีธรรมราช (หนู) ขึ้นเป็นเจ้าเมือง ได้ใช้พระวิหารหลวงเป็นสถานที่ประกอบพิธี มีข้อความตอนหนึ่งในสำเนากฎแต่งตั้งว่า  “อีกประการหนึ่งควรตรวจตราดูพระพุทธรูป พระสถูป พระเจดีย์ พระศรีมหาโพธิ์ พระวิหาร  การเปรียญในวัดวาอาราม หากชำรุดปรักหักพังเศร้าหมองอยู่นั้น ควรซ่อมแปลงทำนุบำรุงปฏิสังขรณ์ขึ้นให้รุ่งเรือง ก็จะเป็นบุญแห่งอาตมภาพสืบไป”

          ใน พ.ศ. 2354 เจ้าพระยานครศรีธรรมราช (พัด) ได้กราบถวานบังคมลาออกจากตำแหน่ง   เพราะเหตุชราภาพ รัชกาลที่ 2 จึงโปรดเกล้าฯ แต่งตั้งเจ้าพระยานครศรีธรรมราช (น้อย) เป็นเจ้าเมืองแทน ครั้น พ.ศ. 2364 เจ้าพระยานครศรีธรรมราช (น้อย) ได้ขอพระราชทานความช่วยเหลือไปยังราชธานี รัชกาลที่ 2 ได้โปรดเกล้าฯ ให้พระเจ้าน้องยาเธอ กรมหมื่นศักดิพลเสพ ผู้สำเร็จราชการกรมพระกลาโหม เป็นแม่กองบูรณะปฏิสังขรณ์ โดยมีกรมการเมืองมาร่วมก่อสร้างถึง 13 กรม เช่น กรมปลัด กรมยกกระบัตร กรมมหาดไทย กรมคลัง กรมนา กรมวัง และกรมสรรพากร เป็นต้น โดยได้รื้อถอนมณฑปพระพุทธปฏิมาที่ชำรุด แล้วสร้างเป็นวิหารหลังใหญ่ตามแบบสถาปัตยกรรมอยุธยา ลักษณะเด่นอยู่ที่เสาพาไลซึ่งเอนสอบเข้าหาตัวอาคาร ทำหน้าที่รับหลังคาปีกนก ส่วนที่ตีนเสาและหัวเสาแต่ละเสามีกลีบบัวยาวเรียกว่าบัวแวง  อีกประการหนึ่งคือหน้าบันของวิหารซึ่งตกแต่งด้วยแผ่นไม้ ด้านตะวันออกเป็นรูปพระอินทร์ ทรงช้างเอราวัณ ส่วนด้านตะวันตกเป็นรูปพระนารายณ์ทรงครุฑ ส่วนภายในสร้างเป็นพระพุทธรูปปูนปั้นปางมารวิชัยขนาดใหญ่บนฐานเดิมของมณฑป ซึ่งเป็นตำแหน่งระนาบเดียวกับพระบรมธาตุเจดีย์ และต้นพระศรีมหาโพธิ์ แล้วเฉลิมพระนามว่า พระศรีศากยมุนีศรีธรรมราช

          อนึ่ง เมื่อ พ.ศ. 2550 มีการสร้างนพรัตน์สังวาลสวมพระพุทธรูปองค์นี้ ในการนี้กรมศิลปากรเป็นผู้ออกแบบ ใช้งบประมาณ 6,441,975 บาท เป็นเงินของวัดพระมหาธาตุวรมหาวิหาร 4,000,000 บาท และเงินบริจาคของประชาชน 2,421,975 บาท สะท้อนถึงความร่วมมือระหว่างบ้าน วัด ราชการ (บวร) โดยสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ เสด็จมาทรงประดับนพรัตน์สังวาลเมื่อวันที่ 30 กันยายน 2552

          วิหารหลวงเป็นตัวอย่างของสถาปัตยกรรมพุทธที่ได้รับอิทธิพลจากแนวคิดและสถาปัตยกรรมของอยุธยามาตั้งแต่พุทธศตวรรษที่ 22 ตลอดเวลาที่ผ่านมาได้มีการปรับให้เหมาะสมกับยุคสมัย โดยมีการสร้างเสมารอบวิหารเพื่อกำหนดเขตอุโบสถให้ชัดเจน วิหารนี้มีหน้าที่สำคัญ 2 ประการ ได้แก่ การอำนวยความสะดวกในการประกอบพิธีกรรมทางพระพุทธศาสนา เช่น การอุปสมบทและพิธีกรรมทางสงฆ์ และการใช้สถานที่จัดพิธีทางโลก เช่น พิธีแต่งตั้งเจ้าเมือง พิธีถือน้ำพิพัฒน์สัตยา และพิธีส่งท้ายปีเก่าแบบโบราณ

          การอุปสมบทในอุโบสถวัดพระมหาธาตุถือเป็นมงคลยิ่ง ความเชื่อนี้แพร่หลายในคาบสมุทรมาลายู  ทำให้ครอบครัวชาวไทย สิงคโปร์ และมาเลเซีย โดยเฉพาะจากรัฐเกดะห์ กลันตัน และปะลิส นำบุตรหลานมาบรรพชาที่นี่ก่อนวันเข้าพรรษาในแต่ละปี