คูเมืองและกำแพงเมืองสุโขทัยวางตัวเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า มีคันดินเป็นกำแพง ๓ ชั้น และคูน้ำ ๓ ชั้น ทำหน้าที่เป็นแนวป้องกันข้าศึกและเป็นคันบังคับน้ำมาใช้ประโยชน์ โดยเป็นน้ำที่ไหลมาจากคลองเสาหอด้านทิศตะวันตกมายังบริเวณคูเมืองด้านทิศตะวันตกเฉียงใต้ ซึ่งคงมีท่อเชื่อมสู่คูเมืองชั้นใน เนื่องจากในการบูรณะปรับปรุงอุทยานประวัติศาสตร์สุโขทัย ระหว่างปี พ.ศ. ๒๕๒๑-๒๕๓๑ ได้ขุดพบท่อน้ำดินเผาขนาดต่างๆ ใกล้ขอบสระและคูน้ำล้อมรอบวัดเสมอๆ เช่นที่วัดพระพายหลวง วัดมหาธาตุ วัดเชตุพน เป็นต้น
 

ผังเมืองสุโขทัย คูเมืองและกำแพงเมืองสุโขทัยวางตัวเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า

นอกจากนี้ยังมีทำนบกั้นน้ำอื่นๆ ก่อสร้างไว้เพื่อส่งน้ำและกักเก็บน้ำไว้ใช้ในเมือง ทำนบที่สำคัญได้แก่ แนวคันดินหมายเลข ๔ ต. ถนนพระร่วง ๑ สุโขทัย-กำแพงเพชร ตั้งอยู่ทางทิศใต้นอกกำแพงเมือง มีความสูงประมาณ ๐.๕๐-๒.๕๐ เมตร กว้างราว ๔-๖ เมตร ยาวประมาณ ๗๓ กิโลเมตรถึงเมืองกำแพงเพชร มีโบราณสถานตามถนนพระร่วงสายนี้ ๒-๓ แห่ง และแนวคันดินถนนพระร่วง ๒ สุโขทัย-ศรีสัชนาลัย ขนาดใกล้เคียงกับถนนพระร่วง ๑ สุโขทัย-กำแพงเพชร วางตัวเริ่มต้นตั้งแต่ประตูศาลหลวงมุ่งขึ้นไปถึงเมืองศรีสัชนาลัย โดยแนวคันดินที่พบขาดหายเป็นระยะๆ สำรวจพบโบราณสถานเรียงรายตามแนวถนน ๒๓ แห่ง แนวคันดินเหล่านี้นอกจากใช้เป็นถนนแล้วยังใช้เป็นแนวบังคับน้ำที่ไหลมาจากทางทิศตะวันตกเพื่อใช้ประโยชน์และผันน้ำไปสู่แม่น้ำยม

วิธีการควบคุมน้ำของเมืองสุโขทัย จากการศึกษาระบบบริหารจัดการน้ำในสมัยสุโขทัย พบหลักฐานระบุถึงเหมืองฝายจากศิลาจารึกสุโขทัยหลักที่ ๓ หรือศิลาจารึกนครชุม พ.ศ. ๑๙๐๐ ในรัชสมัยพระมหาธรรมราชาที่ ๑ มีคำว่า ‘เหมืองแปลงฝายรู้ปรา...’ และจารึกฐานพระอิศวรเมืองกำแพงเพชร พ.ศ. ๒๐๕๓ ระบุว่า ‘อนึ่งท่อปู่พระยาร่วงทำเอาน้ำไปเถิงบางพานนั้นก็ถมหายสิ้นและเขาย่อมทำนาทางฟ้า และหาท่อนั้นพบ กระทำท่อเอาน้ำเข้าไปเลี้ยงนาให้เป็นนาเหมืองนาฝาย มิได้เป็นทางฟ้า...’  

เห็นได้ว่าในสมัยปู่พระยาร่วง ซึ่งอาจเป็นราชวงศ์สุโขทัย ได้มีการบริหารจัดการน้ำแบบเหมืองฝายขึ้นในเขตกำแพงเพชร สำหรับในเมืองสุโขทัยนั้นพบว่าน้ำจากเทือกเขาประทักษ์ไม่มีบทบาทในการทำลายเมือง น้ำจะไหลจากแหล่งน้ำธรรมชาติลงสู่ที่ราบลุ่มต่ำ ตามลำธาร ลำห้วย เช่น คลองยาง เหมืองตาราม เหมืองยายอึ่ง คลองตาเจ็ก เป็นต้น สรีดภงส์ ๒ เป็นฝายน้ำล้นที่สร้างขึ้นระหว่างเขานายากับเขากุดยายชี น้ำเหนือฝายนี้จะระบายไปตามเหมืองยายอึ่งสู่ที่ราบต่ำทางทิศตะวันออกเพื่อใช้ในการเกษตรกรรม

การบริหารจัดการน้ำเพื่อการเกษตรในสมัยสุโขทัยนั้น เมื่อมีการขยายชุมชนเดิมจากวัดพระพายหลวงมายังชุมชนสุโขทัยระบบการควบคุมน้ำเดิมของชุมชนวัดพระพายหลวงยังใช้การได้อยู่ คือคันบังคับน้ำทางตะวันออกและตะวันตกของวัดพระพายหลวง ทำให้ชุมชนสุโขทัยยังทำเกษตรกรรมได้ในบริเวณทางทิศเหนือ ทิศตะวันออกและทิศใต้ของเมือง ดังคำในศิลาจารึกพ่อขุนรามคำแหง พ.ศ. ๑๘๓๕ ว่า