วัดแห่งนี้ตั้งอยู่ภายในกำแพงเมืองเกือบกึ่งกลางตัวเมืองศรีสัชนาลัย จึงเชื่อกันว่าน่าจะเป็นวัดสำคัญแห่งหนึ่ง แต่เดิมสันนิษฐานว่าเจดีย์ประธานสร้างขึ้นในสมัยพ่อขุนรามคำแหง โดยเชื่อตามจารึกหลักที่ 1 ที่กล่าวว่า " 1207 ศกปีกุน ให้ขุดเอาพระธาตุออก ทั้งหลายเห็น กระทำบูชาบำเรอแก่พระธาตุได้เดือนหกวัน จึ่งเอาฝังลงในกลางเมืองศรีสัชนาลัยก่อพระเจดีย์เหนือหกเข้าจึ่งแล้วตั่งเวียงผาล้อมพระมหาธาตุ สามเข้าจึ่งแล้ว…..." ที่แปลความได้ว่า ใน 1207 ศกปีกุนพ่อขุนรามคำแหงให้ทรงขุดเอาพระธาตุขึ้นมาบูชาเป็นเวลา 1 เดือนกับอีก 6 วัน แล้วจึงสร้างเจดีย์ทับลงไป 6 ข้าวสร้างเวียงผาล้อม อีก3 ข้าว จึงจะแล้วเสร็จ
เมื่อปีพ.ศ.2527 กรมศิลปากรได้เข้ามาขุดตรวจสอบแล้วทำให้พบเครื่องถ้วนในสมัยราชวงศ์หยวนและโครงกระดูกอยู่บริเวณใต้เจดีย์ ซึ่งเป็นเครื่องถ้วยที่มีการผลิตในระหว่างพุทธศตวรรษที่ 19-20 ซึ่งอยู่ในช่วงหลังสร้างเจดีย์ตามที่กล่าวไว้ในจารึกอยู่หลายสิบปี จึงทำให้มีการคาดเดาว่าวัดแห่งนี้น่าจะสร้างขึ้นสร้างขึ้นในสมัยของพระมหาธรรมราชาลิไทแทน
กำแพงวัด
เป็นกำแพงล้อมรอบวัด รูปกรอบสี่เหลี่ยมจัตุรัส โดยแนวกำแพงด้านหน้าก่อด้วยศิลาแลง ส่วนด้านอื่นๆ ก่อด้วยอิฐปนศิลาแลงและฉาบด้วยปูนภายนอก ส่วนของกำแพงด้านหน้าในปัจจุบันมีการบูรณะด้วยอิฐทับของเดิม
ทางเดินเชื่อมระหว่างซุ้มประตูกับพระวิหาร
ลักษณะก่อด้วยศิลาแลงขนาดใหญ่เป็นท่อนๆวางต่อๆกัน สันนิษฐานว่าเป็นทางเดินของพระมหากษัตริย์ในอดีต
พระวิหารหมายเลข 1
อยู่บริเวณด้านหน้าของเจดีย์ประธาน เป็นวิหารทึบรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าขนาด 6 ห้อง ก่อด้วยศิลาแลงมีปูนฉาบภายนอก ปัจจุบันวิหารแห่งนี้เหลือเพียง ฐาน เสา และแท่นพระเท่านั้นโดย ฐานวิหารเป็นฐานบัวคว่ำ เสาวิหารใช้เสาศิลาแลงรูปแปดเหลี่ยมวาง 4 แถว 8 หลัก ตั้งรับหลังคาและเครื่องบน แท่นพระหรือที่เรียกว่าฐานชุกชี ตั้งอยู่ภายในติดวิหารด้านหลัง พระประธานของวิหารประดิษฐานบนแท่นพระ เป็นพระพุทธรูปประทับนั่งขนาดใหญ่ แต่ปัจจุบันได้พังทลายหายไปแล้ว ทางด้านขวาของแท่นพระ ขนานกับความยาวของวิหาร เป็นอาสนะสำหรับพระภิกษุสงฆ์ ซึ่งปัจจุบันจะเห็นเพียงซากศิลาแลงกองอยู่รวมกันในบริเวณนั้น ด้านหลังพระวิหารติดบันไดข้างขวามือ มีบ่อล้างเท้าสำหรับพระสงฆ์รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า วางอยู่
วิหารน้อยและเจดีย์บริวาร
ตั้งอยู่ภายในกำแพงวัด โดยสร้างไว้เพื่อประดิษฐานพระพุทธรูป
กำแพงแก้ว
เป็นกำแพงล้อมรอบเจดีย์ประธานวัดช้างล้อม รูปกรอบสี่เหลี่ยมจัตุรัส ก่อด้วยศิลาแลงล้วน ฉาบด้วยปูนบางส่วน ตัวกำแพงแบ่งได้เป็น 2 ส่วนคือ ส่วนครึ่งนอกทำเป็นฐานบัวคว่ำเตี้ยๆ แล้วก่อเป็นเสาครึ่งวงกลมรอบๆ ส่วนครึ่งในก่อตรงขึ้นจากพื้นดิน ที่เรียกว่า กำแพงหลังเจียด ตัวกำแพงประกอบไปด้วยซุ้มประตูทั้ง 4 ด้านโดยด้านหน้าและด้านหลังจะเป็นประตูสำหรับเข้าออกและด้านข้างทั้งสองด้านจะเป็นประตูปลอม ลักษณะซุ้มประตู ทำด้วยฐานบัวคว่ำสูงจากพื้นดิน ขึ้นไปเป็นเสาก่อเป็นกรอบด้านละ 4 ครั้ง จึงค่อยๆเพิ่มความสูงของจั่วขึ้นไปเรื่อยๆ ซุ้มประตูด้านข้าง ก่อเป็นลักษณะทึบหรือปะตูตัน ซึ่งมีข้อสันนิษฐาน 2 แบบคือ อย่าแรกอาจเคยเปิดเป็นทางสำหรับเข้าออกเช่นเดียวกับประตูด้านหน้าและหลังเนื่องจากการก่อศิลาแลงทึบในช่วงกลางไม่เป็นระเบียบผิดกับส่วนอื่นๆ อย่างที่สองคือมีจุดประสงค์ที่จะให้เป็นประตูหลอกเพราะต้องการให้เข้าออกเพียงด้านหน้าและด้านหลังอยู่แล้ว
เจดีย์ประธาน
เป็นเจดีย์ทรงระฆังคว่ำหรือเจดีย์ทรงลังกา มีแบบต้นแบบมาจาก สถูปรุวันเวลิ ที่เมืองอนุราธปุนระ และจัดเป็นสถาปัตยกรรมที่ใหญ่ที่สุดในบริเวณวัด โดยประกอบไปด้วย
ฐานชั้นแรก เป็นฐานเขียงรองรับรูปช้างปูนปั้นจำนวน 39 เชือก ซึ่งช้างเป็นสัตว์ที่เป็นสัตว์มงคล และมีบทบาทในการอุปถัมภ์ค้ำจุนศาสนา ในปัจจุบันอาจเห็นไม่ ชัดเจนว่าเป็นช้างเนื่องจากปูนที่พอกอยู่ก็มีการพังทลายไปตามอายุ ซึ่ง 39ตัวจะหมายถึง เลข 3 ที่เเสดงถึง พระพุทธ พระธรรม และพระสงฆ์ ส่วนเลข 9 เป็นเลขมงคลที่เป็นเหมือนตัวแทนของความเจริญก้าวหน้า หรืออีกนัยหนึ่ง หมายถึง โพธิปักขิยธรรม 37 ประการ ซึ่งเป็นธรรมอันเป็นเครื่องหมายของการตรัสรู้ ประกอบกับวิมุตติ2 ประการ ที่หมายถึงทางไปสู่การหลุดพ้น โดยจะมีช้างที่อยู่ในมุมทั้ง 4 ทิศ หรือช้างประจำมุมจะแตกต่างกว่าช้างตัวอื่นๆ ในที่นี้เพราะจะมีลักษณะใหญ่กว่าช้างตัวอื่นและเป็นช้างทรงเครื่องคือจะมีลวดลายปูนปั้นประดับที่คอ หน้าเท้าและก็ข้อเท้าอย่างสวยงาม ส่วนด้านหน้าช้างจะมีปูนปั้นดอกบัวไว้สำหรับรองรับงวงช้าง(แสดงถึงการบูชา) สันนิษฐานว่าที่ข้างในตัวช้างมีโครงสร้างที่กรวงเนื่องจากในอดีตเคยเป็นที่สำหรับเก็บของที่มีค่า ส่วนเสาที่อยู่ระหว่างช้างจะเรียกว่าเสาประทีปแปดเหลี่ยม(มรรคมีองค์8=ทางเดินสายกลาง) ที่ในอดีตใช้สำหรับประดับไฟในงานพิธีกรรมที่มีในตอนกลางคืน (แต่เดิมในตอนสร้างวัดแห่งนี้ไม่มีช้างแต่สร้างในช่วงถัดมาที่ห่างจากตอนที่สร้างวัดแห่งนี้ไม่นาน โดยฐานเดินมีชื่อว่าฐานบัวแก้วไก ที่ไม่มีช้างแต่โบกข้างหลังปิดเพื่อเอาช้างขึ้นมาทดแทน ) ช้างที่วัดแห่งนี้จะต่างจากที่อื่นคือช้างที่วัดแห่งนี่จะมีสี่ขาหรือเป็นช้างเต็มตัว
บันไดทางขึ้น สู่ชั้นต่อไป มีทั้งหมด 21 ขั้น ตามราวบันไดทางขึ้นทั้งสองข้างมีเสาที่เรียกว่า เสาโกรนพญานาค ซึ่งเคยมีพญานาคประดับโดยมีส่วนหัวอยู่ทางซ้ายและขวาที่หัวราวบันได้ ส่วนลำตัวผาดยาวขึ้นไปทางด้านบนเป็นราวบันไดสู่ชั้นต่อไป
ชั้นลานประทักษิณา หรือลานประทักษิณ ในชั้นนี้จะประกอบไปด้วย พื้นชาลาทางเดิน และขอบระเบียงมีช่องโปร่งรูปห้าเหลี่ยมแลลอดได้ โดยในชั้นนี้มีการประดับตกแต่งเป็นจุดที่ปลายหางนาคมาชนกัน และเดิมน่าจะมีหลังคามุงเนื่องจากพบเสาศิลาแลงจำนวนหนึ่งตั้งอยู่อย่างแน่นอนประจำทุกมุม
ฐานเขียงที่ประดับซุ้มจรนำ(จอ-ระ-นำ) ภายในการประดิษฐานพระพุทธรูปประทับนั่งปางมารวิชัยบนฐานบัวคว่ำและบัวหงายด้านหลังมีประติมากรรมนูนต่ำรูปต้นโพธิ์ทาทับสีแดงดูเสมือนพระพุทธองค์ประทับใต้ต้นโพธิ์ โดยจะมีทั้งหมด 20 ซุ้ม ด้านละ 5 ซุ้ม โดยองค์กลางจะมีลักษณะใหญ่กว่าองค์อื่น ในปัจจุบันได้ผุพังไปเกือบหมดแล้ว โดยองค์ที่สมบูรณ์ที่สุดได้ถูกนำไปไว้ที่พิพิธภัณฑ์รามคำแหง โดยองค์ที่เห็นอยู่ทุกองค์ในวัดช้างล้อมปัจจุบันคือเป็นพระพุทธรูปที่กรมศิลปากรได้จำลองขึ้น
เหนือซุ้มจรนำเป็นฐานเขียงสี่เหลี่ยม ถัดไปฐานแปดเหลี่ยม ฐานทรงกลม ชั้นบัวถลา3ชั้น กลีบบัวปากระฆัง(ลังกา)
องค์ระฆัง ก่อด้วยศิลาแลงผอกด้วยปูน ฐานบัลลังก์
ก้านฉัตร จะมีพระพุทธรูปมีรูปสาวกปางลีลา ที่เป็นประติมากรรมปูนปั้นนูนต่ำประดับโดยรอบก้านฉัตรจำนวนทั้งหมด17องค์
บัวฝาละมี
วงแหวนโดยรอบที่เรียกว่าป้องไฉน(คล้ายกับปี่ไฉน) มีทั้งหมด 32 ป้อง ซึ่งจะหมายถึง ภาคภูมิ 11 และพรหมโลก 20 รวมกันได้ 31 ซึ่งสื่อว่ามนุษย์เราเกิดมาจะต้องมี อวัยวะ 32 ประการ แต่ตอนเกิดมาจะมีอวัยวะติดตัวมาแค่ 31เนื่องจากยังไม่มีฟัน
ด้านบนสุด จะเป็นหยาดน้ำค้างหรือปรียอดที่เปรียบเสมือนหัวปรี