ตัวเมืองเก่าสุโขทัยตั้งอยู่ห่างจากที่ตั้งตัวจังหวัดสุโขทัย และห่างจากแม่น้ำยมไปทางทิศตะวันตก ประมาณ ๑๐ กิโลเมตร ร่องรอยของโบราณสถานที่เป็นซากกำแพงเมืองและวัดวาอารามยังปรากฏ ให้เห็นเป็นหลักฐาน ซึ่งแสดงถึงการเป็นเมืองสำคัญที่มีความเจริญรุ่งเรืองมาแต่ก่อน
ลักษณะของเมืองตามที่เหลือร่องรอยเป็นโบราณสถานชี้ให้เห็นว่า เมืองสุโขทัยเป็นเมืองที่มีการก่อสร้างซ้อนกันอยู่ ๒ ครั้ง กล่าวคือ ครั้งแรกเป็นบริเวณที่มีคูน้ำล้อมรอบสามชั้น มี แผนผังเป็นรูปสี่เหลี่ยม โดยตรงกลางมีพระปรางค์ก่อด้วยศิลาแลงสามองค์อยู่บนฐานเดียวกันเป็นศูนย์กลางของเมือง พระปรางค์ทั้งสามองค์ตั้งเรียงติดกันจากทิศเหนือไปทิศใต้หันหน้าไปทางทิศตะวันออก ปัจจุบันคงเหลือพระปรางค์ที่ตั้งอยู่ทางทิศเหนือองค์เดียวที่มีสภาพสมบูรณ์ค่อนข้างมาก พระปรางค์องค์กลางกับองค์ที่ตั้งอยู่ทางทิศใต้พังทลายหมด เหลือเพียงฐานกับผนังของเรือนธาตุบางตอนสูงพันฐานขึ้นมาเล็กน้อยหลักฐานของพระปรางค์ที่เป็นศูนย์กลางของเมืองและโบราณวัตถุที่พบในที่นี้แสดงว่า เมืองสุโขทัยเมื่อแรกเริ่มตั้งขึ้น ณ ที่นั้น มีการนับถือพระพุทธศาสนาฝ่ายมหายานเป็นศาสนาประจำเมืองจากรูปแบบทางศิลปะของพระปรางค์อาจกำหนดอายุเวลาได้ว่า เมืองสุโขทัยแห่งนี้สร้างขึ้นเมื่อประมาณตอนกลางของพุทธศตวรรษที่ ๑๘ หรือประมาณ พ.ศ. ๑๗๕๐ ปัจจุบัน บริเวณเมืองสุโขทัยรุ่นแรกนี้เรียกกันว่า วัดพระพายหลวง
เมืองโบราณสุโขทัยที่รู้จักกันโดยทั่วไปนั้นเป็นเมืองรุ่นที่ ๒ อยู่ติดกับเมืองสุโขทัยรุ่นแรก ที่บริเวณวัดพระพายหลวงไปทางทิศใต้ โดยมีกำแพงเมืองด้านทิศเหนือติดกับคูเมืองด้านทิศใต้ของเมืองสุโขทัยเดิมที่วัดพระพายหลวง มีกำแพงและคูเมืองสามชั้นล้อมรอบเป็นแผนผังรูปสี่เหลี่ยมเกือบจัตุรัส คือมีความกว้าง ๑,๔๐๐ เมตร ยาว ๑,๘๐๐ เมตร โดยมีวัดพระศรีรัตนมหาธาตุเป็นศูนย์กลางของเมือง มีพระสถูปทรงดอกบัวตูมหรือทรงพุ่มข้าวบิณฑ์เป็นประธานของวัด เชื่อกันว่าเป็นสถูปบรรจุพระบรมสารีริกธาตุขององค์สมเด็จพระสัมมาสัมพุทธเจ้าอันเป็นเครื่องหมายแห่งการเป็นเมืองในพระพุทธศาสนา ตามคตินิยมของนิกายเถรวาทหรือหินยาน
จากการขุดค้นทางโบราณคดีทำให้ทราบว่ากำแพงเมืองที่มีสามชั้นนั้น มิได้ถูกสร้างขึ้นพร้อมกันทั้งสามชั้น เดิมมีชั้นเดียว และได้มีการก่อสร้างเพิ่มเติมอีกสองชั้นในภายหลัง มีป้อมปืนก่อด้วยอิฐอยู่ตรงช่องประตูเมือง ๓ ช่อง ประตูคือ ประตูด้านทิศเหนือ ทิศตะวันตก และทิศใต้ ส่วนประตูด้านทิศตะวันออกนั้น ในสมัยปัจจุบันไม่เห็นป้อมประตูเมืองแล้ว เนื่องจากมีการตัดทางหลวงคือถนนจรดวิถีถ่อง ผ่านเข้าช่องประตูด้านนี้ จึงทำลายหลักฐานทางโบราณคดีบางส่วนไป กำแพงเมืองที่มีการสร้างเพิ่มเติมขึ้นด้วยอิฐนี้คงจะสร้างขึ้นในสมัยสมเด็จพระบรมไตรโลกนาถ เมื่อประมาณปลายพุทธศตวรรษที่ ๒๐ - ต้นพุทธศตวรรษที่ ๒๑ เพื่อรับศึกกับล้านนาในสมัยที่เมืองสุโขทัยได้ถูกผนวกเข้าเป็นส่วนหนึ่งของราชอาณาจักรกรุงศรีอยุธยาแล้ว
คูเมืองสุโขทัยรับน้ำจากที่สูงทางทิศตะวันตกเฉียงใต้ของเมือง ต้นน้ำเกิดจากเทือกเขาหลวงเป็นน้ำตกมาจากหุบเขาเรียกว่า โชกพระร่วงลับพระขรรค์ มีทำนบเป็นคันดินแบบน้ำให้ไหลเข้ามุมเมืองด้านทิศตะวันตกเฉียงใต้ ซึ่งเป็นส่วนที่มีระดับสูงที่สุดของเมือง แล้วกระจายออกไปสองทางคือ ลงตามคูเมืองด้านทิศใต้กับคูเมืองด้านทิศตะวันตก และไหลตามคูเมืองที่มีระดับต่ำลงด้านทิศตะวันออกและด้านทิศเหนือ มาพบกันที่จุดต่ำสุดที่มุมเมืองทิศตะวันออกเฉียงเหนือก่อนจะไหลลงน้ำแม่ลำพันที่มีต้นน้ำเกิดจากเทือกเขาในเขตท้องที่อำเภอทุ่งเสลี่ยม เมื่อไหลผ่านเมืองสุโขทัยแล้ว น้ำแม่ลำพันจะไหลไปทางทิศตะวันออก ลงสู่แม่น้ำยมบนฝั่งตรงกันข้ามกับจังหวัดสุโขทัยปัจจุบัน
ขณะนี้ยังไม่ทราบแน่นอนว่า มีการย้ายเมืองจากที่เก่าที่มีศูนย์กลางเป็นวัดพระพายหลวงลงมาทางใต้ โดยมีวัดพระศรีรัตนมหาธาตุเป็นศูนย์กลางเมืองตั้งแต่เมื่อใด อาจจะเป็นตอนที่เปลี่ยนราชวงศ์ที่ครองเมืองสุโขทัยในสมัยตอนต้นนั้นก็ได้ ดังที่มีหลักฐานเป็น ศิลาจรึกวัดศรีชุม ที่กล่าวว่า ปฐมกษัตริย์ของเมืองสุโขทัยทรงพระนามว่า พ่อขุนศรีนาวนำถมพระองค์มีโอรสคือ พ่อขุนผาเมืองเจ้าเมืองราดซึ่งมีความสัมพันธ์กับอำนาจตั้งเดิมคือ ขอมเมืองนครธม หรือเมืองพระนครหลวงในกัมพูชาโดยเจ้าเมืองนครธมได้พระราชทานธิดาชื่อนางสุขรเทวี ให้เป็นพระชายาของพ่อขุนผาเมืองและพระราชทานนามเกียรติยศให้แก่พ่อขุนผาเมืองเป็น กมรแตงอัญศรีอินทรบดินทราทิตย์ พร้อมทั้งพระราชทานพระขรรค์ชัยศรี เครื่องหมายแห่งอำนาจอิสระในการปกครองดินแดน ความเกี่ยวข้องกับขอมเมืองนครธมมีความสอดคล้องกับรูปแบบพระปรางค์วัดพระพายหลวง ซึ่งสร้างขึ้นตามศิลปะขอมแบบบายน มีอายุประมาณกลางพุทธศตวรรษที่ ๑๘ ดังนั้น เมืองสุโขทัยเมื่อแรกเริ่มจึงน่าจะอยู่บริเวณที่มีวัดพระพายหลวงเป็นศูนย์กลาง
ศิลาจารึกวัดศรีชุมเล่าต่อไปว่า ครั้งหนึ่งต้องเสียเมืองสุโขทัยศรีสัชนาลัยให้แก่ ขอมสบาดโขลญลำพง ซึ่งเป็นเวลาที่พ่อขุนศรีนาวนำถมสิ้นพระชนม์แล้ว พ่อขุนผาเมืองซึ่งเป็นโอรสจึงชักชวนสหายคือ พ่อขุนบางกลางหาวมาตีเมืองสุโขทัยศรีสัชนาลัยกลับคืนมาได้ แต่พ่อขุนผาเมืองไม่ทรงครองเมืองสุโขทัย พระองค์ทรงมอบเมืองสุโขทัยพร้อมทั้งพระนามยศ
ที่ได้รับจากกษัตริย์ขอมเมืองนครธมให้แก่สหายและเสด็จกลับไปครองเมืองราดอย่างเดิม พ่อขุนบางกลางหาวจึงได้ครองเมืองสุโขทัย โดยมีพระนามเป็นที่รู้จักและเรียกกันในสมัยหลังว่าพ่อขุนศรีอินทราทิตย์ และทรงมีอำนาจเหนือเมืองสุโขทัยศรีสัชนาลัยตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา
การเปลี่ยนราชวงศ์ครองเมืองสุโขทัยครั้งนี้จึงเป็นเหตุผลอย่างหนึ่งที่ทำให้มีการย้ายเมืองใหม่ เพราะราชวงศ์ใหม่นี้ควรจะนับถือพระพุทธศาสนานิกายใหม่ด้วยคือ นิกายเถรวาทหรือหินยาน มีหลักฐานว่า อย่างน้อยเมื่อพ่อขุนราม คำแหงโอรสของพ่อขุนศรีอินทราทิตย์ ได้ครองเมืองสุโขทัยต่อจากพ่อขุนบาลเมืองผู้เป็นพระ เชษฐานั้น เมืองสุโขทัยได้ย้ายมาตั้งอยู่บริเวณที่มีวัดพระศรีรัตนมหาธาตุเป็นศูนย์กลางของเมืองแล้วทั้งนี้ ทราบได้จากหลักฐานที่เป็นศิลาจารึกสุโขทัย หลักที่ ๑ ที่ได้บรรยายภูมิสถานต่างๆ ของเมืองสุโขทัยในสมัยพ่อขุนรามคำแหงว่า มีสภาพตรงกันกับภูมิประเทศจริงของตัวเมืองรุ่นต่อมานี้
กษัตริย์องค์สำคัญของสุโขทัยองค์หนึ่งคือพ่อขุนรามคำแหง ทรงรวบรวมบ้านพี่เมืองน้อง ที่ตั้งอยู่ในละแวกเดียวกันเข้าด้วยกันเป็นกลุ่มเมืองโดยพระองค์ประทับที่เมืองสุโขทัยเป็นอำนาจศูนย์กลาง แต่ก็ไม่สามารถทำให้กลุ่มเมืองที่เป็น ดินแดนแคว้นสุโขทัยนี้มีความยั่งยืน เพราะหลังจากที่พระองค์สิ้นพระชนม์ลง บ้านเมืองต่างๆ ที่ปกครองด้วยราชวงศ์พี่น้องเครือญาติกันเหล่านี้ก็แตกแยกเป็นอิสระไม่ขึ้นต่อกัน จนถึงสมัยพระ มหาธรรมราชาลิไทซึ่งเป็นรุ่นหลานของพ่อขุนราม คำแหงได้ขึ้นเสวยราชสมบัติที่เมืองสุโขทัย เมื่อ พ.ศ. ๑๘๙๐ ต้องทรงปราบปรามบ้านพี่เมืองน้อง ต่างๆ สร้างความเป็นอันหนึ่งอันเดียวกันอีกครั้งหนึ่ง ดินแดนของแคว้นสุโขทัยในสมัยนั้นมีขอบเขตที่ชัดเจนพอที่จะเปรียบเทียบกับพื้นที่ การปกครองในปัจจุบันได้ว่า มีอาณาเขตตั้งแต่ท้องที่ จังหวัดนครสรรค์ขึ้นไป ทิศเหนืออยู่ในท้องที่จังหวัดอุตรดิตถ์ ทิศตะวันออกครอบคลุมท้องที่บางส่วนของจังหวัดเพชรบูรณ์ และทิศตะวันตกเป็นท้องที่จังหวัดกำแพงเพชร และบางส่วนของ จังหวัดตาก
จากตำแหน่งที่ตั้งทางภูมิศาสตร์ของดินแดนแคว้นสุโขทัยนี้ จะเห็นว่า ตั้งอยู่บนพื้นที่ราบเหนือสุดติดต่อกับเขตพื้นที่ภูเขาของแคว้นล้านนาส่วนทางทิศใต้เป็นที่ราบติดต่อกับที่ราบลุ่มแม่น้ำในภาคกลาง การที่มีที่ตั้งภูมิประเทศเช่นนี้ ชี้ให้เห็นว่า บ้านเมืองต่างๆ ในดินแดนสุโขทัยนั้นเกิดขึ้นเนื่องจากเป็นเมืองของคนกลางในการติดต่อค้าขาย ระหว่างบ้านเมืองที่อยู่ในที่ราบลุ่มแม่น้ำภาคกลางกับบ้านเมืองที่เป็นพื้นที่ภูเขา เพราะการเดินทางในที่ราบลุ่มแม่น้ำจะเป็นทางคมนาคม ขนส่งที่สะดวกที่สุด เมื่อขึ้นเหนือทวนลำน้ำก็จะ ไปถึงเมืองต่างๆ ในแคว้นสุโขทัย คือไปตาม ลำแม่น้ำน่านถึงเมืองฝางในเขตจังหวัดอุตรดิตถ์ไปตามลำน้ำป่าสักถึงเมืองเพชรบูรณ์ ไปตามลำน้ำปิงถึงกำแพงเพชรและตาก และไปตามลำน้ำยมถึงสุโขทัยศรีสัชนาลัย เหนือขึ้นไปจากนี้ แม่น้ำจะเต็มไปด้วยแก่งหิน เนื่องจากไหลผ่านพื้นที่ภูเขาทำให้ไม่สะดวกที่จะใช้เป็นเส้นทางคมนาคมขนส่งจึงต้องเปลี่ยนเป็นเส้นทาง
ในขณะเดียวกัน สินค้าจากภายในทวีปที่มีการขนส่งโดยทางบก ใช้ม้าต่างฬ่อต่างขนสัมภาระข้ามภูเขามายังบ้านเมืองที่อยู่บนที่ราบ เมื่อลงจากพื้นที่ภูเขามาก็จะถึงบ้านเมืองบนที่ราบอันเป็นเมืองของแคว้นสุโขทัยที่มีพ่อค้าเดินทางมาจากบ้านเมืองขนาดใหญ่บนที่ราบภาคกลางจึงเกิดการติดต่อซื้อขายแลกเปลี่ยนสินค้าซึ่งเป็นที่ต้องการของแต่ละฝ่ายขึ้น เมืองต่างๆ ในแคว้นสุโขทัยจึงเกิดขึ้นเนื่องจากแบบแผนการคมนาคมขนส่งเพื่อการค้าดังกล่าวแล้ว แม้แต่เมืองสุโขทัย ตำนานเรื่องพระร่วงบุตรนายคงเคราส่วยน้ำเมืองละโว้ ศิลาจารึกวัดศรีชุมเรื่องราวความสัมพันธ์กับอาณาจักรขอมกัมพูชาที่กล่าวข้างต้น หรือแบบแผนทางศิลปกรรมวัดพระพายหลวงที่เป็นศิลปะแบบขอม ต่างก็มีความสอดคล้องกันที่สามารถนำมาอธิบายความสัมพันธ์ได้ว่า เมืองสุโขทัยเกิดขึ้นจากการสนับสนุนโดยกรุงละโว้ ซึ่งเป็นเครือข่ายทางวัฒนธรรมของอาณาจักรขอมกัมพูชา จัดตั้งขึ้นเป็นศูนย์กลางรวบรวมสินค้าจากแผ่นดินภายในทวีปส่งลงมาให้แก่กรุงละโว้เพื่อการบริโภคภายในและค้าขายกับดินแดนโพ้นทะเลต่อไปอีกหนึ่ง
การที่เมืองต่างๆ ในแคว้นสุโขทัยเกิดขึ้นด้วยเงื่อนไขของความสัมพันธ์กันระหว่างสภาพภูมิศาสตร์กับการเป็นศูนย์กลางของเส้นทางการค้าทำให้พบหลักฐานเป็นศิลาจารึกของสุโขทัยหลายหลัก ทั้งที่กล่าวถึงเหตุการณ์ในสมัยพ่อขุนราม คำแหง พระมหาธรรมราชาลิไท และหลังจากสมัยพระมหาธรรมราชาลิไท ที่กล่าวถึงความสัมพันธ์กับบ้านเมืองที่ห่างไกลออกไปตามเส้นทางแม่น้ำโขง ตั้งแต่เมืองเวียงจันเวียงคำ เมือง หลวงพระบาง เหนือสุดคือเมืองเชียงแสน เพราะเส้นทางตามที่ราบลุ่มแม่น้ำโขงคือ เส้นทางที่เข้าสู่แผ่นดินภายในพื้นทวีปได้ลึกที่สุดที่แคว้นสุโขทัยติดต่อสัมพันธ์ไปได้ ตามพันธกิจด้านการค้าขายที่มีอยู่ของเมืองสุโขทัย
ในสมัยของพระมหาธรรมราชาลิไท พระองค์ทรงรวบรวมบ้านที่เมืองน้องที่แยกตัวเป็นอิสระให้กลับมาเป็นอันหนึ่งอันเดียวกันอีกครั้งหนึ่งโดยทรงใช้พระพุทธศาสนาเป็นเครื่องมือในการ สร้างความเป็นเอกภาพของดินแดนแคว้นสุโขทัยของพระองค์ และผูกมัดบ้านเมืองอื่นให้เป็นพันธมิตรต่อกันอย่างแน่นแฟ้น คือ เมืองแพร่และเมืองน่านซึ่งเป็นนครรัฐอิสระอยู่ รวมไปถึงเมืองหลวงพระบางของพระเจ้าฟ้างุ้มแห่งราช อาณาจักรลาวล้านช้างด้วย ศิลาจารึกได้สรรเสริญพระมหาธรรมราชาลิไทว่า ทรงเป็นพระโพธิสัตว์ ที่จะตรัสรู้เป็นพระพุทธเจ้าในอนาคต พระนาม ธรรมราชาจึงได้รับการถวายให้แด่กษัตริย์สุโขทัยมาตั้งแต่ครั้งนั้น
หลัง พ.ศ. ๑๙๐๐ พระมหาธรรมราชาลิไททรงพยายามสร้างความเป็นปึกแผ่นให้แก่แคว้นสุโขทัยมากขึ้นอีก โดยการนำทัพไปรบพร้อมทั้งเผยแผ่พระพุทธศาสนาออกไปนอกแคว้นสุโขทัย โดยทางทิศเหนือขึ้นไปยังเมืองแพร่อยู่ที่เมืองแพร่ ๗ เดือน นำคนเมืองแพร่มาเป็นข้าพระที่เมืองศรีสัชนาลัย พระมหาธรรมราชาลิไทมีความใกล้ชิดกับพระยาการเมือง (ผากอง) เจ้าเมืองน่านจึงมีการส่งพระสงฆ์ไปเผยแผ่พระพุทธศาสนายังเมืองน่าน และมอบวัตถุมงคลทางพระพุทธศาสนาให้แก่พระยาการเมืองเพื่อใช้ในการสร้างวัดพระธาตุแช่แห้ง ส่วนทางทิศตะวันออกได้ยกพลไปรบยังบ้านเมืองในลุ่มแม่น้ำป่าสัก
การขยายตัวของแคว้นสุโขทัยไปสู่ลุ่มน้ำป่าสักน่าจะส่งผลกระทบไปถึงบ้านเมืองในอาณัติ ของกรุงศรีอยุธยาที่อยู่ตามลุ่มน้ำสายนี้ สมเด็จพระรามาธิบดีที่ ๑ (พระเจ้าอู่ทอง) จึงยกพลนมายึดเมืองสรลวงสองแคว (พิษณุโลก) ไว้ได้และให้เจ้าเมืองสุพรรณภูมิซึ่งน่าจะมีความสัมพันธ์ทงเครือญาติกับราชวงศ์สุโขทัยมาก่อน มาครองเมืองสองแควอยู่ชั่วระยะเวลาหนึ่ง อันเป็นการเข้ายึดครองศูนย์ปฏิบัติการรบของสุโขทัยที่เข้าไปรุกรานบริเวณลุ่มแม่น้ำป่าสัก พระมหาธรรมราชาลิไทได้นิมนต์พระมหาสวามีสังฆราชจากนครพัน เมืองมอญที่ริมอ่าวเมาะตะมะ เดินทางมาเมืองสุโขทัย และพระองค์ได้ทรงออก ผนวชกับพระสวามีสังฆราช เมื่อ พ.ศ. ๑๙๐๕ ซึ่งน่าจะเป็นช่วงเวลานี้ที่ได้มีการเจรจาตกลงรับเมืองสองแควคืนจากกรุงศรีอยุธยา โดยพระมหาธรรมราชาลิไทต้องเสด็จไปประทับที่เมืองสองแควและให้พระมหาเทวี พระขนิษฐาของพระองค์ขึ้น ครองเมืองสุโขทัย ราชบัลลังก์สุโขทัยจึงหมดความศักดิ์สิทธิ์แห่งอำนาจชอบธรรมที่จะเป็นศูนย์กลางของแว่นแคว้น ที่พระมหาธรรมราชาลิไททรงเพียรพยายามสร้างขึ้นมา
พระมหาธรรมราชาลิไทประทับอยู่ที่เมืองสองแคว ๗ ปี ประจวบกับเป็นช่วงเวลาที่กรุงศรีอยุธยาเปลี่ยนแผ่นดิน เนื่องจากสมเด็จพระรามาธิบดีที่ ๑ (พระเจ้าอู่ทอง) เสด็จสวรรคตเมื่อ พ.ศ. ๑๙๑๑ และสมเด็จพระราเมศวร ขึ้นเสวยราชสมบัติในปีถัดมา พระมหาธรรมราชาลิไทได้เสด็จกลับเมืองสุโขทัย และระดมไพร่พลเจ้าเมืองต่างๆ ในเขตแคว้นสุโขทัยที่ยังคงจงรักภักดีอยู่ เตรียมการที่จะดำเนินนโยบายการเมืองที่จะให้สุโขทัยเป็นศูนย์กลางการปกครองแคว้นอีกครั้งหนึ่ง พระองค์ได้ส่งพระสุมนเถระขึ้นไปยังเมืองเชียงใหม่ เมื่อ พ.ศ. ๑๙๑๒ เพื่อสร้างสัมพันธไมตรี แต่พระองค์ก็ไม่สามารถพลิกฟื้นอำนาจของเมืองสุโขทัยกลับคืนมาได้อีกเนื่องจากในปีต่อมา พ.ศ. ๑๙๑๓ สมเด็จพระบรมราชาธิราชที่ ๑ (พ่องั่ว) ได้เสด็จขึ้นเสวยราชสมบัติกรุงศรีอยุธยาโดยสมเด็จพระราเมศวรยินยอมถวายราชบัลลังก์ให้ เป็นเวลาที่พระมหา ธรรมราชาลิไทเสด็จสวรรคต สมเด็จพระบรมราชาธิราชที่ ๑ (พ่องั่ว) จึงยกทัพเข้ายึดดินแดนของแคว้นสุโขทัยได้ทั้งหมดในปีถัดมา
ก่อนเสวยราชสมบัติกรุงศรีอยุธยา สมเด็จพระบรมราชาธิราชที่ ๑ (พ่องั่ว) เคยเป็นเจ้าเมืองสุพรรรภูมิและเคยเสด็จไปครองเมืองสองแควราชวงศ์สุพรรณภูมิอาจจะมีสายสัมพันธ์ทางเครือญาติกับราชวงศ์สุโขทัยมาก่อนแล้ว และเมื่อพระองค์ไปครองเมืองสองแควก็อาจจะได้สร้างสายสัมพันธ์กับราชวงศ์สุโขทัยขึ้นใหม่ด้วยดังนั้น เมื่อพระมหาธรรมราชาลิไทเสด็จสวรรคตลงบ้านเมืองในแคว้นสุโขทัยก็มีความวุ่นวายแตกแยกกันออกไปอีก การที่พระองค์ยกทัพเข้ายึดแคว้น สุโขทัยได้ ก็ถือเป็นการสร้างความสงบแก่บ้านเมืองของเครือญาติที่เป็นพันธมิตรกับพระองค์ได้ทางหนึ่งบ้านเมืองใดที่ไม่ยอมเป็นพันธมิตร พระองค์ก็จะยกกองทัพเข้าปราบปรามจนราบคาบเกือบได้ประกาศตนเป็นพระมหาธรรมราชา อันเป็น ความพยายามสร้างศูนย์อำนาจชอบธรรมแห่งใหม่ของดินแดนสุโขทัย ที่สมเด็จพระบรมราชาธิราชที่ ๑ ยังปราบไม่สำเร็จ ก็เสด็จสวรรคตเสียก่อน
เมื่อสมเด็จพระบรมราชาธิราชที่ ๑ แห่งราชวงศ์สุพรรณภูมิสวรรคต ราชบัลลังก์กรุงศรียุธยาได้ตกเป็นของสมเด็จพระราเมศวรเชื้อสายของพระเจ้าอู่ทอง และพระองค์ต่อมาคือสมเด็จพระรามราชาโอรสของสมเด็จพระราเมศวร รวมแล้วเป็นระยะเวลานานถึง ๒๑ - ๒๒ ปี ในช่วงเวลานี้ เมืองสุพรรณภูมิเหมือนกับมีการปลีกตัวออกไปจากอำนาจของกรุงศรีอยุธยา แต่กลับ มาสร้างความสัมพันธ์กับแคว้นสุโขทัยต่อไป การแลกเปลี่ยนเชื้อพระวงศ์ฝ่ายหญิงเพื่อสมรสกับเชื้อพระวงศ์ของอีกฝ่ายหนึ่งมีหลักฐานให้เห็นอยู่ตลอดเวลา ดังเช่น พระพุทธรูปในศิลปะแบบอยุธยาตอนต้น (ศิลปะอู่ทอง) ที่พระมหาเทวีศรีจุฬาลักษณ์ พระชายาของพระมหาธรรมราชาธิราช ซึ่งเป็นหลานของพระมหาธรรมราชาลิไท ทรงสร้างถวายแก่วัดบูรพารามที่สุโขทัยเมื่อกลางพุทธศตวรรษที่ ๒๐ แสดงให้เห็นว่าพระนางน่าจะเป็นเชื้อสายของสุพรรณภูมิ ตำนานเรื่องพระร่วงไปเมืองจีนมีเนื้อหาคล้ายกับประวัติของเจ้านครอินทร์ผู้มีชายาเป็นเจ้าหญิงสุโขทัยและภายหลังได้เสวยราชสมบัติกรุงศรีอยุธยาเป็นสมเด็จพระนครินทราธิราช
นอกจากสายสัมพันธ์โดยการสมรสระหว่างกันแล้ว ทางฝ่ายสุพรรณภูมิได้อาศัยศักดิ์ของการเป็นเครือญาติที่สูงกว่าเข้าครอบงำเจ้านายของฝ่ายสุโขทัย ทั้งโดยการสนับสนุนเครือญาติสุโขทัยฝ่ายของตนในการรวบรวมบ้านเมืองในแคว้นที่แตกแยกกันออกไปหลังจากพระมหาธรรมราชาลิไทสิ้นพระชนม์ ให้รวมกันเป็นกลุ่มเมืองดังเดิม เมืองชากังราวก็คงจะยอมรับอำนาจจากสุพรรณภูมิในช่วงเวลานี้ การเข้ามาสร้างเมืองใหม่ภายใต้อิทธิพลของสุพรรณภูมิคือ เมืองกำแพงเพชรบนฝั่งแม่น้ำปิงตรงข้ามกับเมืองนครชุมของสุโขทัยแต่เดิม สร้างพระราชวังจันทน์ในเมืองชัยนาทบนฝั่งแม่น้ำน่านตรงข้ามกับเมืองสรลวงสองแควของสุโขทัย สร้างเมืองพิจิตรบริเวณที่แม่น้ำยมมาบรรจบกับแม่น้ำน่าน ล้วนแต่เป็นการควบคุมจุดยุทธศาสตร์สำคัญของแคว้นสุโขทัย ทั้งในด้านเส้นทางคมนาคมและศูนย์กลางการปกครองท้องที่ ทำให้บ้านเมืองในแคว้นสุโขทัยต้องพึ่งพิงอยู่กับสุพรรณภูมิทั้งทางเศรษฐกิจและการเมือง ด้วยเหตุนี้ เมื่อสมเด็จพระนครินทราธิราชแห่งสุพรรณภูมิมีอำนาจเข้าครอบครองกรุงศรีอยุธยา ใน พ.ศ. ๑๙๕๒ จึงเป็นเวลาที่แคว้นสุโขทัยรวมกันกับแคว้นสุพรรณภูมิแล้ว และได้กลายเป็นกลุ่มเมืองเหนือตามคำเรียกในพระราชพงศาวดารกรุงศรีอยุธยา
ตั้งแต่เวลานี้เป็นต้นไป ไม่ปรากฏว่ามีเจ้านายซื้อสายราชวงศ์สุโขทัยพระองค์ใดที่แสดงแนวคิดว่า จะให้เมืองสุโขทัยหรือเมืองใดเมืองหนึ่งในอาณาเขต เป็นที่ตั้งของอำนาจชอบธรรมในการปกครองแว่นแคว้น คือเป็นราชธานีที่ตั้งแห่งราชบังลังก์พระมหากษัตริย์หรือเมืองหลวง ทุกคนจะมุ่งไปที่ราชบังลังก์กรุงศรีอยุธยาเป็นตำแหน่งเป้าหมายแห่งพระราชอำนาจสูงสุด ที่เจ้านายจากเมืองเหนือสามารถอ้างสิทธิในการก้าวขึ้นสู่อำนาจชอบธรรมนั้นได้ด้วย
