พระเจ้าบุเรงนองทรงนำทัพเข้ารุกรานกรุงศรีอยุธยาในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2111 ยกเข้ามาทางด่านแม่ละเมา เมืองตาก รวมทั้งหมด 7 ทัพ ประกอบด้วย พระมหาอุปราชา เจ้าเมืองแปร เจ้าเมืองตองอู เจ้าเมืองอังวะ เจ้าเมืองเชียงใหม่ และเชียงตุง เข้ามาทางเมืองกำแพงเพชร โดยได้เกณฑ์หัวเมืองทางเหนือรวมทั้งเมืองพิษณุโลกมาร่วมสงครามด้วย รวมจำนวนได้กว่า 500,000 นาย[8] ยกทัพลงมาถึงพระนครในเดือนธันวาคมปีเดียวกัน โดยให้พระมหาธรรมราชาเป็นกองหลังดูแลคลังเสบียง ทัพพระเจ้าบุเรงนองก็ตั้งค่ายรายล้อมพระนครอยู่ไม่ห่าง[8] การตั้งรับภายในพระนครส่งผลให้มีการระดมยิงปืนใหญ่ของข้าศึกทำลายอาคารบ้านเรือนอยู่ตลอด ทำให้ได้รับความเสียหายอย่างมาก

ฝ่ายกรุงศรีอยุธยาเมื่อทราบว่าหัวเมืองทางเหนือเป็นของพม่าแล้ว จึงเตรียมรบ อยู่ที่พระนคร นำปืนนารายณ์สังหารยิงไปยังกองทัพพระเจ้าหงสาวดีที่ตั้งอยู่บริเวณทุ่งลุมพลี ถูกทหาร ช้าง ม้าล้มตายจำนวนมาก พม่าจึงถอยทัพมาตั้งที่บ้านพราหมณ์ให้พ้นทางปืน แล้วพระเจ้าหงสาวดีจึงเรียกประชุมการศึก พระมหา อุปราชเห็นสมควรให้ยกทัพเข้าตีไทยทุกด้านเพราะมีกำลังมากกว่า แต่พระเจ้าหงสาวดีไม่เห็นด้วยเพราะกรุงศรีอยุธยามีทำเลดีมีน้ำล้อมรอบ จึงสั่งให้ตีเฉพาะด้านตะวันออกเพราะคูเมืองแคบที่สุด พม่าพยายามจะทำสะพานข้ามคูเมืองโดยนำดินมาถมเป็นสะพาน พระมหาเทพนายกองรักษาด่านอย่างเต็มสามารถ โดยให้ทหารไทยใช้ปืนยิงทหารพม่าที่ขนดินถมเป็นสะพานเข้ามา ทำให้พม่าล้มตายจำนวนมากจึงถอยข้ามคูกลับไป

พระเจ้าบุเรงนองทรงพยายยามโจมตีอยู่นานจนถึงเดือนเมษายน พ.ศ. 2112 ก็ยังไม่ได้กรุงศรีอยุธยา อีกทั้งยังสูญเสียกำลังพลเป็นจำนวนมาก[10] พระองค์ทรงพยายามเปลี่ยนที่ตั้งค่ายอยู่หลายระยะ โดยในภายหลังทรงย้ายค่ายเข้าไปใกล้กำแพงเมืองจนทำให้สูญเสียพลอย่างมาก ระหว่างการสงครามสมเด็จพระมหาจักรพรรดิประชวรและสวรรคตในเวลาต่อมา สมเด็จพระมหินทร์ขึ้นครองราชและทรงบัญชาการรบแทน

พระเจ้าบุเรงนองจึงถามพระมหาธรรมราชาว่าจะ ทำอย่างไรให้ชนะศึกโดยเร็ว พระมหาธรรมราชาทรงแนะว่าพระยารามเป็นแม่ทัพสำคัญหากได้ตัวมาการยึดพระนครจักสำเร็จ จึงมีสาสน์มาถึงพระอัครชายาว่า"...การศึกเกิดจากพระยารามที่ยุยงให้พี่น้องต้องทะเลาะกัน ถ้าส่งตัวพระยารามมา ให้พระเจ้าหงสาวดีจะยอมเป็นไมตรี..." สมเด็จพระมหินทร์ฯทรงอ่านสาสน์แล้ว ปรึกษากับข้าราชการต่างๆจึงเห็นสมควรสงบศึกเพราะผู้คนล้มตายกันมากแล้ว สมเด็จพระมหินทร์ฯมีรับสั่งให้ส่งพระสังฆราชออกไปเจรจาและส่งตัวพระยารามให้พระเจ้าบุเรงนองเพื่อเป็นไมตรี แต่พระเจ้าบุเรงนองตบัตสัตย์ไม่ยอมเป็นไมตรี ทำให้สมเด็จพระมหินทร์ฯทรงพิโรธโกรธแค้นในการกลับกลอกของพระเจ้าบุเรงนองอย่างมาก มีรับสั่งให้ขุนศึกทหารทั้งปวงรักษาพระนครอย่างเข้มแข็ง พระเจ้าบุเรงนองเห็นว่ายังไม่สามารถตีกรุงศรีอยุธยาไม่ได้ จึงส่งพระมหาธรรมราชามาเกลี้ยกล่อมให้ยอมแพ้แต่ถูก ทหารไทยเอาปืนไล่ยิงจนต้องหนีกลับไป

พระเจ้าหงสาวดีจึงคิดอุบายจะใช้พระยาจักรีที่จับตัวได้เป็นประกันเมื่อครั้งสงครามช้างเผือกเป็นใส้ศึก จึงให้พระมหาธรรมราชาทรงเกลี้ยกล่อมพระยาจักรีให้เป็นไส้ศึกในกรุงศรีอยุธยา แล้วแกล้งปล่อยตัวออกมารุ่งเช้าพม่าทำทีเป็นตามหาแต่ไม่พบเลยจับตัวผู้คุมมาตัดหัวเสียบไว้ริมแม่น้ำเพื่อให้ไทยหลงกล

สมเด็จพระมหินทร์ฯทรงดีพระทัยที่พระยาจักรีหนีมาได้จึงทรงแต่งตั้งให้เป็นผู้บังคับบัญชาการรบแทนที่พระยาราม ครั้นพระยาจักรีได้รับแต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งรักษาพระนครแล้วจึงดำเนินการสับเปลี่ยนหน้าที่ของฝ่ายต่าง ๆ จนกระทั่งการป้องกันพระนครอ่อนแอลง พระยาจักรีได้ใส่ ร้ายให้พระศรีสาวราชว่าเป็นกบฏจึงถูกสำเร็จโทษ เมื่อเห็นว่าได้เวลาอันควรพระยาจักรีจึงให้สัญญาณแก่พม่าเข้าตีกรุงศรีอยุธยาทุกด้าน และทำให้กองทัพพม่าเข้าสู่พระนครสำเร็จโดยใช้เวลาเพียง 1 เดือน[9]

ในวันที่ 7 สิงหาคม พ.ศ. 2112 (เดือน๙ไทย) พระยาจักรีจึงให้สัญญาณแก่พม่าเข้าตีกรุงศรีอยุธยาและเปิดประตูเมือง ทำให้ทัพพม่าเข้ายึดพระนครสำเร็จ กรุงศรีอยุธยาจึงตกเป็นเมืองขึ้นของอาณาจักรตองอู