กรมศิลปากร เริ่มดำเนินการสำรวจและขึ้นทะเบียนโบราณสถานเมืองเก่าสุโขทัย ตั้งแต่ปีพุทธศักราช 2478 เป็นต้นมา โดยได้มีการประกาศขึ้นทะเบียนโบราณสถานในราชกิจจานุเบกษา เล่มที่ 52 ตอนที่ 75 วันที่ 8 มีนาคม พุทธศักราช 2478 ในครั้งนั้นเป็นจำนวน 75 แห่ง

ต่อมาในปีพุทธศักราช 2496 รัฐบาลได้ตั้งคณะกรรมการฟื้นฟูบูรณะเมืองสุโขทัยขึ้น โดยเริ่มมีการขุดแต่ง ที่วัดมหาธาตุเป็นแห่งแรก และตามด้วยโบราณสถานที่สำคัญอื่น ๆ ทั้งภายในกำแพงเมือง และภายนอกกำแพงเมือง ระยะต่อมาได้มีการตั้งคณะกรรมการปรับปรุงบูรณะโบราณสถานจังหวัดสุโขทัย เพื่อดำเนินงานในระยะที่ 2 ระหว่างปีพุทธศักราช 2508 – 2512

พุทธศักราช 2518 กรมศิลปากร กำหนดขอบเขตพื้นที่ของโบราณสถานเมืองสุโขทัยจำนวน 43,750 ไร่ หรือประมาณ 70 ตารางกิโลเมตร โดยประกาศในราชกิจจานุเบกษา เล่มที่ 92 ตอนที่ 112 วันที่ 17 มิถุนายน พุทธศักราช 2518

พุทธศักราช 2519 กรมศิลปากรริเริ่มจัดทำแผนแม่บทเพื่อพัฒนาเมืองโบราณสุโขทัยให้เป็นอุทยานประวัติศาสตร์ ได้ดำเนินการสำรวจ ขุดแต่ง บูรณะ และพัฒนาเมืองโบราณสุโขทัย ตามแผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติ ฉบับที่ 4 (พุทธศักราช 2520 – 2524) และฉบับที่ 5 (พุทธศักราช 2525 - 2529) โดยใช้ชื่อโครงการว่า “โครงการอุทยานประวัติศาสตร์สุโขทัย” ซึ่งเป็นโครงการของแผนงานสงวนรักษา อนุรักษ์ และซ่อมแซมมรดกทางศิลปวัฒนธรรมของกรมศิลปากร มีเป้าหมายที่จะอนุรักษ์โบราณสถานของเมืองสุโขทัย ไว้เป็นหลักฐานทางประวัติศาสตร์และอารยธรรม   ตลอดจนพัฒนาให้เป็นประโยชน์ต่อเศรษฐกิจและสังคม