เมื่อวันที่ 3 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2092 สมเด็จพระมหาจักรพรรดิทรงตัดสินพระทัยยกทัพออกนอกพระนครเพื่อเป็นการบำรุงขวัญทหารและทอดพระเนตรจำนวนข้าศึก[6]นอกเหนือจากพระองค์แล้ว พระมเหสี สมเด็จพระสุริโยทัย พร้อมกับพระราชธิดา พระบรมดิลก ซึ่งเสด็จบนหลังช้างทรงเช่นกัน พระองค์และพระราชมารดาได้แต่งกายเป็นทหารอย่างชาย โดยสมเด็จพระสุริโยทัยทรงแต่งกายอย่างพระมหาอุปราช นอกจากนี้ พระเชษฐาทั้งสองของพระองค์ พระราเมศวร พระมหาอุปราชและทายาทผู้มีสิทธิ์โดยตรง และพระมหินทร์ ได้ตามเสด็จพระราชบิดาไปด้วย[7][8]

กองทัพอยุธยาจัดขบวนออกเคลื่อนทัพไปทางเหนือจนถึงบริเวณทุ่งภูเขาทอง[6] ไม่นานก็พบกับทัพหน้าของพม่าโดยมีพระเจ้าแปรเป็นแม่ทัพ ทั้งสองขบวนก็ปะทะกัน พระเจ้าแปรและสมเด็จพระมหาจักรพรรดิทรงทำยุทธหัตถีกัน ซึ่งเป็นแบบธรรมเนียมในเวลานั้น[9] แต่ช้างทรงของสมเด็จพระมหาจักรพรรดิเสียทีและหันหลังหนีจากข้าศึก พระเจ้าแปรก็ทรงขับช้างไล่ตามมาอย่างกระชั้นชิด สมเด็จพระสุริโยทัยทอดพระเนตรเห็นพระราชสวามีกำลังอยู่ในอันตรายจึงรีบขับช้างเข้าขวางพระเจ้าแปร ทำให้ทรงไม่สามารถติดตามต่อไปได้[7][10] พระเจ้าแปรจึงทำยุทธหัตถีกับสมเด็จพระสุริโยทัย เนื่องจากสมเด็จพระสุริโยทัยอยู่ในลักษณะเสียเปรียบ ช้างพระเจ้าแปรได้เสยช้างสมเด็จพระสุริโยทัย จนเท้าหน้าทั้งสองลอยพ้นพื้นดิน แล้วพระเจ้าแปรจึงฟันสมเด็จพระสุริโยทัยจากพระพาหาขาดถึงกลางพระองค์[6] นอกจากนี้ พระเจ้าแปรยังทรงทำให้พระบรมดิลกได้รับบาดเจ็บ ทั้งสองพระองค์เสด็จสวรรคตบนช้างทรงเชือกเดียวกัน[11][10][12] มีการเล่าว่า พระเจ้าแปรไม่ทรงทราบว่าพระองค์กำลังรบกับสตรีอยู่จนกระทั่งพระองค์ทรงฟันศัตรูบริเวณไหล่ ในจังหวะที่ร่างกายทรุดลงจนหมวกเหล็กที่สวมไว้หลุดออกนั้น พระองค์จึงทรงเห็นผมยาวของสตรี

พระราเมศวรและพระมหินทร์ทรงขับช้างเข้ากันข้าศึก และขับทัพหน้าของพม่าออกจากทุ่ง จากนั้นทรงนำช้างพร้อมทั้งพระศพสมเด็จพระราชชนนีและพระขนิษฐภคินีกลับเข้ากรุงศรีอยุธยา สมเด็จพระมหาจักรพรรดิได้ใช้เวลาในการรวบรวมกองทัพแล้วจึงถอยกลับเข้าพระนครเช่นกัน[7][10]

ในปัจจุบัน มหาวิทยาลัยนเรศวรได้อัญเชิญพระนาม “บรมดิลก” มาเป็นชื่อสระน้ำแห่งหนึ่งภายในมหาวิทยาลัย[13] [14] เพื่อให้อนุชนคนรุ่นหลังได้ระลึกถึงและจดจำพระวีรกรรมของพระองค์ในฐานะขัตติยนารีวีรสตรีของแผ่นดินอีกพระองค์หนึ่ง