โปรดเกล้าโปรดกระหม่อมให้สร้างวังสุโขทัยพระราชทานเป็นของขวัญในการอภิเษกสมรสของกรมขุนสุโขทัยธรรมราชากับหม่อมเจ้าหญิงรำไพพรรณีสวัสดีเมื่อปีพุทธศักราช
2461โดยได้รับพระราชทานนามวางว่าวังสุโขทัยจากพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัววังสุโขทัยได้รับการยกย่องว่าเป็นสถาปัตยกรรมที่สมบูรณ์แบบที่สุดในด้านการก่อสร้างโดยประยุกต์ผสมผสานระหว่างสถาปัตยกรรมตะวันตกด้านรูปแบบตัวอาคารและตกแต่งด้วยศิลปะแบบไทยประกอบด้วยพระตำหนัก3หลังคือตำหนักใหญ่ตำหนักไม้และตำหนักน้ำภายในพระตำหนักมีระเบียงทางเชื่อมระหว่างตำนานซึ่งเป็นการออกแบบก่อสร้างตามอย่างตะวันตกหากแต่ใช้ไม้เป็นวัสดุแกะสลักลวด
ลายตามชายคาแบบไทยอย่างสวยงามในช่วงที่สมเด็จพระศรีพัชรินทราบรมราชินีนาถทรงประชุมมักจะเสด็จมาพักผ่อนพระอิริยาบถที่ตำหนักน้ำซึ่งตั้งอยู่ริมคลองสามเสนอยู่เป็นประจำเมื่อพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัวได้ทรงขึ้นครองราชสมบัติพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัวและสมเด็จพระนางเจ้ารำไพพรรณีพระบรมราชินีได้เสด็จไปประทับที่พระที่นั่งอัมพรสถานพระราชวังดุสิตระยะหนึ่งแล้วเสด็จกลับมาประทับที่วังสุโขทัยอีกครั้งภายหลังเปลี่ยนแปลงการปกครอง
พุทธศักราช2475หลังจากนั้นประมาณปีเศษทั้งสองพระองค์ได้เสด็จไปประทับที่ประเทศอังกฤษจนกระทั่งพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัวเสด็จสวรรคตเมื่อวันที่30พฤษภาคมพ.ศ2484ช่วงนั้นวังสุโขทัยตกเป็นกรรมสิทธิ์ของสำนักงานทรัพย์สินส่วนพระประวัติศาสตร์และใช้เป็นสถานที่ราชการจนกระทั่งสมเด็จพระนางเจ้ารำไพพรรณีเสด็จกลับมาประทับที่ประเทศไทยอย่างเป็นทางการแล้วจึงได้เสด็จมาประทับที่วังสุโขทัยอีกครั้งเมื่อพุทธศักราช2511จนเสด็จสวรรคตเมื่อวันที่22พฤษภาคม
พุทธศักราช2527และก่อนหน้าที่สมเด็จพระเจ้าอยู่หัวมหาวชิราลงกรณ์เมื่อดินทรเทพยวรางกูรจะรับการอัญเชิญขึ้นทรงร่างพระองค์ได้ประทับณที่นี้แต่ต่อมาได้ย้ายที่ประทับไปที่พระที่นั่งอัมพรสถานพระราชวังดุสิตโดยปัจจุบันเป็นที่ประทับของสมเด็จพระเจ้าลูกเธอเจ้าฟ้าพัชรกิติยาภาและสมเด็จพระเจ้าลูกเธอเจ้าฟ้าสิริวัณณวรีพระตำหนักใหญ่เป็นพระตำหนักที่ประทับก่ออิฐฉาบปูนมีความสูง2ชั้นหลังคาทรงปั้นหยาผสมกับซงจั่วส่วนยอดจั่วประดับด้วยดอกไม้จำหลัก
ซึ่งเป็นลักษณะเด่นของรูปทรงหลังคาที่สร้างในสมัยรัชกาลที่6พระบัญชรเป็นบานกระจกตอนบนไม่มีกันสาดพระทวารเป็นบานไม้ลูกฟักภายในมีการตกแต่งฝ้าเพดานพระตำหนักพัชราภิรมย์ที่ประทับเจ้า
