หนึ่งในวัดที่สำคัญที่สุดของกรุงเทพฯ ได้รับการบูรณะโดยสมเด็จพระบวรราชเจ้ามหาสุรสิงหนาท กวาดต้อนช่างฝีมือชั้นสูงมาปรับปรุงซ่อมแซม มีรูปแบบสถาปัตยกรรมอันเป็นเอกลักษณ์ของสกุลช่างวังหน้า ที่ค่อนข้างเรียบง่ายและแตกต่างจากสกุลช่างหลวง
พระอุโบสถและพระวิหารลอกแบบมาจากอยุธยาผสมอิทธิพลขอมและเขมรที่มักจะสร้างพระระเบียงล้อมรอบ ส่วนใบเสมา ถ้าไม่สังเกตดีๆ อาจจะไม่เห็น เพราะแทนที่จะตั้งอยู่หน้าพระอุโบสถ กลับถูกนำไปติดบนเหลี่ยมเสา รวมถึงรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ ที่ช่างวังหน้าแอบโชว์ฝีมือไว้เนียนๆ อย่าง ‘นาคเบือน’ บนซุ้มหน้าต่างพระอุโบสถ และเครื่องลำยองที่ไม่มีนาคสะดุ้ง
ครั้งหนึ่งวัดนี้เคยเป็นที่ทำการสังคายนาพระไตรปิฎกครั้งที่ 9 ของโลก โดยอาราธนาสมเด็จพระสังฆราช (ศรี) สมเด็จพระสังฆราชพระองค์แรกแห่งกรุงรัตนโกสินทร์มาทรงเป็นประธานในการดำเนินการ ต่อมาจึงเกิดเป็นธรรมเนียมว่าสมเด็จพระสังฆราชทุกองค์จะต้องเสด็จมาประทับที่วัดมหาธาตุ ก่อนจะยกเลิกธรรมเนียมไปนับแต่สมเด็จพระสังฆราชพระองค์ที่ 6 ลงมา
ส่วนพระมณฑป เปรียบได้กับหัวใจของวัดนี้ เพราะเป็นที่ประดิษฐานพระเจดีย์ทองทรงเครื่องย่อมุมไม้สิบสอง บรรจุพระบรมสารีริกธาตุ อันเป็นที่มาของชื่อวัด รอบพระเจดีย์ประดิษฐานพระพุทธรูปโบราณทั้งพุทธศิลป์สุโขทัยและอยุธยารวมกันและส่วนใหญ่มีรูปพรรณสัณฐานที่เป็นเอกลักษณ์ตามฉบับพุทธศิลป์ที่รัชกาลที่ 3 ทรงโปรด