ระยะเวลาที่อาณาจักรสุโขทัยรุ่งเรืองอยู่นั้น ระบบการเมืองการปกครองได้ถูกพัฒนาให้เหมาะสมกับสภาพของบ้านเมืองอยู่เสมอ แม้ในช่วงต้นๆจะยังไม่สามารถอธิบายลักษณะการปกครองได้อย่างชัดเจน แต่หลักฐานจากศิลาจารึกหลายหลัก มักออกชื่อเมืองเป็นคู่ เช่น ศรีสัชนาลัย-สุโขทัย ชากังราว-กำแพงเพชร สรลวง-สองแคว เป็นต้น ระบบนี้อาจช่วยส่งเสริมเสถียรภาพของเมืองให้มั่นคง ด้วยการช่วยกันดูแล และป้องกันตนเอง

พบคำเรียกเจ้าเมืองหรือพระมหากษัตริย์ว่า "พรญา" (อ่านว่า พระยา) เช่นศิลาจารึกวัดศรีชุม กล่าวว่า "...ปู่พรญาศรีนามนำถุม เป็นขุนเป็นพ่อ เสวยราชย์ในนครสองอัน อันหนึ่งชื่อสุโขทัย อันหนึ่งชื่อศรีเสชนาไล" และในจารึกหลักนี้ยังเรียกกษัตริย์ว่า "พ่อขุน" ด้วย เช่น พ่อขุนศรีนาวนำถุม พ่อขุนบางกลางท่าว พ่อขุนผาเมือง ในขณะที่ศิลาจารึกปู่ขุนจิดขุนจอด ซึ่งพบที่วัดมหาธาตุ เมืองโบราณสุโขทัย ปรากฏคำนำหน้าพระนามกษัตริย์หลายแบบ เช่น ปู่ขุนจิดขุนจอด ปู่พระยาบาน ปู่พระยารามราช พ่องำเมือง พ่อเลอไท เป็นต้น ทำให้มีการสันนิษฐานว่าชนชั้นปกครองในเวลานั้น อาจแบ่งเป็นระดับชั้น เช่น "ขุน" ปกครองเมืองเล็ก หลายๆเมืองรวมกันขึ้นอยู่ภายใต้การปกครองของ "พ่อขุน" เป็นต้น ส่วนคำว่า "พ่อขุน" ใช้ขานพระนามอย่างยกย่องสำหรับพระมหากษัตริย์ที่สวรรคตไปแล้ว คล้ายกับคำว่า "ปู่พรญา" ในขณะที่คำว่า "พรญา" และ "พ่อ" อาจใช้ขานพระนามพระมหากษัตริย์ที่ทรงพระชนม์อยู่ก็เป็นได้ นอกจากนี้ยังพบคำศัพท์เขมร เช่น กมรเตง หรือ กมรเตงอัญ นำหน้าพระนามของพระมหากษัตริย์อีกด้วย

พ่อขุนรามคำแหงมหาราช

ภาพจำลองการปกครองในสมัยสุโขทัย

ภาพจำลองการปกครองในสมัยสุโขทัย

ภาพจำลองการบันทึกหลักศิลาจารึก

เมื่อกลุ่มเมืองในพื้นที่แถบนี้รวมตัวกันเป็นเครือข่ายของอาณาจักรสุโขทัย มีผู้คนพลเมืองจำนวนมากขึ้น ระบบการปกครองแบบเดิมอาจมีประสิทธิภาพไม่เพียงพอ จึงต้องมีการปรับปรุงใหม่ โดยให้เมืองใดเหมืองหนึ่งดำรงสถานะเป็นเมืองสำคัญ ควบคุมเมืองใกล้เคียง มีศูนย์กลางอำนาจอยู่ที่พระมหากษัตริย์ การปกครองแบบกระจายอำนาจนี้ มีเมืองสุโขทัยเป็นราชธานี รายล้อมด้วยเมืองลูกหลวงหรือหัวเมืองชั้นใน ประกอบด้วยศรีสัชนาลัย สองแคว สระหลวง นครชุม ถัดออกไปเป็นเมืองพระยามหานคร ซึ่งพระมหากษัตริย์ทรงผู้ที่ไว้วางพระราชหฤทัยให้ไปปกครอง เช่น พระบาง เชียงทอง บางพาน แล้วจึงเป็นเมืองพระยามหานคร ซึ่งอยู่ห่างไกลแต่เข้ามาพึ่งพระบรมโพธิสมภาร มีเจ้าเมืองปกครองตนเอง แต่ต้องส่งเครื่องราชบรรณาการเข้ามาถวายอย่างสม่ำเสมอ

คติความเชื่อทั้งแบบพุทธ พราหมณ์ และความเชื่อเรื่องผีบรรพบุรุษ ถูกนำมาปรับใช้กับระบบการปกครองสุโขทัยอยู่เสมอ พระองค์จึงดำรงสถานะเป็นทั้งเทวราชา ธรรมราชา และเป็นผู้สืบสายมาจากบรรพชนผู้ทรงศักดิ์สิทธิ์ ความเชื่อเช่นนี้ดำรงอยู่จนกระทั่งสุโขทัยถูกผนวกรวมเข้ากับกรุงศรีอยุธยาในรัชกาลสมเด็จพระบรมไตรโลกนาถ