พระวิหารหลวงสร้างขึ้นหรือได้รับการบูรณะครั้งใหญ่ในรัชสมัยสมเด็จพระนารายณ์มหาราช เพื่อใช้ในพระราชพิธีทางศาสนาที่สำคัญ จุดเด่นที่โดดเด่นที่สุดคือหน้าต่างโค้งแหลม (สไตล์โกธิค) ซึ่งสะท้อนถึงอิทธิพลทางสถาปัตยกรรมจากตะวันตก อาคารมีความโอ่อ่ากว้างขวาง สร้างด้วยอิฐและปูนปั้น มีประตูทางเข้าขนาดใหญ่อยู่ด้านหน้าและด้านหลังซึ่งอยู่ในแนวเดียวกับพระปรางค์ ผนังหนาถูกออกแบบมาเพื่อรองรับหลังคาที่มุงด้วยกระเบื้องกรอบไม้ (ปัจจุบันพังทลายลง) และมีช่องแสงเพื่อเพิ่มความสว่างให้กับภายใน สถาปัตยกรรมนี้เป็นเครื่องพิสูจน์ถึงยุคที่สยามรุ่งเรืองและเปิดรับวัฒนธรรมสากลอย่างกว้างขวาง