พระยาบาลเมืองเป็นพระราชโอรสในพระมหาธรรมราชากับแม่นางษาขา มีพระเชษฐภคินีพระองค์หนึ่งเป็นพระราชเทวีในสมเด็จพระบรมราชาธิราชที่ 2[2]

พระราชพงศาวดาร ฉบับพันจันทนุมาศ (เจิม) ระบุว่าเมื่อพระมหาธรรมราชาธิราชเจ้าเมืองพิษณุโลกสวรรคตในปี พ.ศ. 1962 หัวเมืองเหนือเกิดจลาจลเพราะพระยาบาลเมืองและพระยารามแห่งสุโขทัยแย่งชิงอำนาจกัน สมเด็จพระอินทราชาแห่งกรุงศรีอยุธยาจึงเสด็จมาเมืองพระบาง (นครสวรรค์) ทั้งพระยาบาลเมืองและพระยารามทรงทราบก็เสด็จออกมาถวายบังคม เมื่อสมเด็จพระอินทราชาเสด็จกลับกรุงศรีอยุธยาแล้วจึงโปรดให้เจ้าสามพระยามาครองกรุงพิษณุโลก[3]

พระราชพงศาวดารกรุงศรีอยุธยา ฉบับปลีก หมายเลข 2/ก 104 ระบุว่าเมื่อเจ้าสามพระยาได้ครองราชย์เป็นสมเด็จพระบรมราชาธิราช ขณะนั้นพระยาบาลเมืองเจ้าเมืองพิษณุโลกได้ลงมาเข้าเฝ้า จึงพระราชทานสุพรรณบัฏเครื่องราชูปโภคและเฉลิมพระนามเป็นมหาธรรมราชาธิราช มีการมหรสพเฉลิมฉลองที่เมืองพิษณุโลก และโปรดให้พระยารามราช พระยาเชลียง และพระยาแสนสอยดาว มาช่วยงานด้วย[2]