พระยารามเป็นพระราชโอรสในพระมหาธรรมราชาที่ 2[1] ประสูติแต่สมเด็จพระราชเทวีศรีจุฬาลักษณ์ มีพระอนุชาพระองค์หนึ่งพระนามว่าศรีธรรมาโศกราช เมื่อพระราชบิดาสวรรคตในปี พ.ศ. 1951 พระยารามจึงสืบราชสมบัติในกรุงสุโขทัย โดยจารึกวัดบูรพารามระบุว่าพระองค์ทรงพระนามว่าสมเด็จรามราชาธิราช[2] ส่วนจารึกวัดอโสการามออกพระนามว่าพระธรรมราชาธิราช[3]

พระราชพงศาวดารกรุงเก่า ฉบับหลวงประเสริฐอักษรนิติ์ ระบุว่าเมื่อพระมหาธรรมราชาธิราชเจ้าเมืองพิษณุโลกสวรรคตในปี พ.ศ. 1962 หัวเมืองเหนือเกิดจลาจลเพราะพระยาบาลเมืองและพระยารามแย่งชิงอำนาจกัน สมเด็จพระอินทราชาแห่งกรุงศรีอยุธยาจึงเสด็จมาเมืองพระบาง (นครสวรรค์) ทั้งพระยาบาลเมืองและพระยารามทรงทราบก็เสด็จออกมาถวายบังคม[4] สมเด็จพระอินทราชาทรงไกล่เกลี่ยแล้วราชาภิเษกพระยาบาลเมืองเป็นพระมหาธรรมราชาครองกรุงพิษณุโลก ส่วนพระยารามโปรดให้ครองกรุงสุโขทัยดังเดิม[5]