นอกจากเมืองถูกสร้างด้วยรูปทรงสี่เหลี่ยมแล้ว สถาปัตยกรรมและบารายหรืออ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่ถูกสร้างขึ้นด้วยรูปสี่เหลี่ยมเช่นกัน โครงสร้างภายในเมืองสุโขทัยประกอบด้วยกำแพงเมืองและคูน้ำสลับกัน ๓ ชั้นหรือเรียกว่า ตรีบูร เพื่อป้องกันน้ำจากหุบเขา จึงเปรียบเสมือนฝายน้ำล้นที่ป้องกันน้ำท่วมเมืองและป้องกันข้าศึกศัตรู ซึ่งลักษณะของกำแพงเมืองถูกก่อด้วยอิฐศิลาแลงสลับกับคูน้ำขนาดใหญ่ที่ล้อมรอบทั้ง ๔ ด้าน 

ในปี พ.ศ. ๒๔๔๙ ยังพบหลักฐานการสร้างถนนพระร่วงเป็นแนวคันดินที่ทอดตัวยาวแนวเหนือ-ใต้ผ่านเมืองสุโขทัยที่ประตูศาลหลวงและประตูกำแพงหัก กรมศิลปากรสำรวจพบโบราณสถานส่วนใหญ่เป็นวัดโบราณที่ตั้งขึ้นใจกลางเมืองบ้างตั้งอยู่บนเกาะกลางน้ำที่เรียกว่า ตระพัง 

ระบบบริหารจัดการน้ำเมืองสุโขทัยเกิดขึ้นตั้งแต่ปลายพุทธศตวรรษที่ ๑๘ แสดงให้เห็นถึงการจัดการน้ำที่มีมาตั้งแต่อดีต เข้าใจถึงลักษณะภูมิประเทศ ความลาดเอียงของพื้นที่ไม่สามารถเก็บน้ำไว้ได้ จึงใช้ความลาดเอียงให้เกิดประโยชน์ต่อการเลือกตั้งถิ่นฐานและตำแหน่งของพื้นที่กักเก็บน้ำที่สามารถแบ่งออกเป็นภายในและภายนอกเขตกำแพงเมือง 
 

วัดสระศรี เป็นวัดที่ตั้งอยู่บนเกาะกลางตระพังตระกวน

ได้แก่ ตรีบูร ตระพังหรือสระน้ำ บ่อบาดาล บ่อกรุ ลำคลอง สรีดภงส์ บารายและทะเลหลวง โดยภายในเมืองใช้ท่อดินเผาเชื่อมสระน้ำเข้าด้วยกัน อาศัยความลาดเอียงของเมืองให้น้ำไหล

ระบบบริหารจัดการน้ำนอกเขตกำแพงเมือง เมืองสุโขทัยมีแนวเทือกเขาประทักษ์ทอดตัวตามแนวทิศเหนือ-ใต้ของเมือง จากการสำรวจทางโบราณคดีพบว่า เทือกเขาประทักษ์นี้เป็นแหล่งต้นน้ำลำธารที่มีบทบาทสำคัญในการอุปโภคบริโภคของชุมชนเมืองสุโขทัยในสมัยโบราณ มีวัตถุประสงค์เพื่อจัดสรรน้ำให้เกิดประโยชน์แก่ประชาชนโดยให้มีน้ำไว้ใช้ได้ตลอดปี สามารถทดและส่งน้ำไปใช้ได้อย่างประหยัดและเพียงพอในช่วงฤดูเพาะปลูกและสามารถระบายทิ้งได้ในกรณีที่มีน้ำมากเกินไป โดยนอกเขตกำแพงเมืองประกอบด้วย เหมืองฝาย สรีดภงส์ และทำนบกั้นน้ำ

เหมืองฝาย คือคันกั้นน้ำเพื่อกักเก็บน้ำที่เกินในฤดูฝน ลดการเกิดอุทกภัยและช่วยการเพาะปลูกในฤดูแล้ง 

สรีดภงส์ หรือทำนบหรือคันดิน ปัจจุบันมีการค้นพบและสันนิษฐานถึงสรีดภงส์ในจารึกหลักที่ ๑ จารึกพ่อขุนรามคำแหงมหาราชทั้งหมด ๓ ตำแหน่งดังนี้

สรีดภงส์ ๑ (ทำนบ ๑ ตต.) หรือเรียกว่าทำนบพระร่วง เป็นเขื่อนกั้นน้ำสร้างด้วยดินเหนียวรูปตัวไอ (I) ยาว ๕๐๐ เมตร สูง ๘๐ เมตรจากระดับน้ำทะเลปานกลาง สามารถเก็บน้ำได้ประมาณ ๘๐,๐๐๐ – ๑๒๐,๐๐๐ ลูกบาศก์เมตร ที่ตั้งอยู่ห่างจากเมืองสุโขทัยไปทางทิศตะวันตกเฉียงใต้ มีลักษณะเป็นแนวคันดินเชื่อมต่อระหว่างเขากิ่วอ้ายมาและเขาพระบาทใหญ่ รับน้ำบนเทือกเข้าประทักษ์ เขาค่าย เขาเจดีย์งาม ไหลลงมาเป็นลำธารหรือโซกต่างๆ มารวมกันในพื้นที่รับน้ำก่อนจะไหลตามคลองเสาหอและเข้าสู่แนวคูน้ำล้อมรอบเมืองสุโขทัยบริเวณมุมทิศตะวันตกเฉียงใต้ 

สรีดภงส์ ๒ (ทำนบ ๒ ตต.) หรือเรียกว่าทำนบกั้นน้ำโคกมน เป็นเขื่อนกั้นน้ำขนาดใหญ่สร้างด้วยดินเหนียวรูปตัววี (V) ยาว ๑,๑๗๕ เมตร กั้นระหว่างหุบเขาสะพานเรือและเขากุดยายชีทางทิศใต้ของเมืองสุโขทัย 

สรีดภงส์ ๓ (ทำนบ ๓ ตต.) เป็นเขื่อนกั้นน้ำขนาดใหญ่สร้างด้วยดินเหนียวรูปตัวยู (U) ยาว ๑,๐๐๐ เมตร กั้นระหว่างหุบเขาสะพานหินและเขาเจดีย์งามทางทิศตะวันตกของเมืองสุโขทัยระยะทาง ๒ กิโลเมตร ซึ่งสรีดภงส์ เป็นตัวควบคุมน้ำ ปล่อยน้ำปริมาณมากหรือน้อยแล้วแต่ความต้องการ ทำให้เมืองสุโขทัยมีน้ำหล่อเลี้ยงตลอดทั้งปี