สมเด็จฯ กรมพระยาสุดารัตนราชประยูร เป็นพระขนิษฐาร่วมเจ้าจอมมารดาเดียวกับสมเด็จพระบรมราชมาตามหัยกาเธอ กรมหมื่นมาตยาพิทักษ์ พระบิดาในสมเด็จพระเทพศิรินทราบรมราชินี จึงทรงมีศักดิ์เป็นพระปิตุจฉา (อาหญิง) ของสมเด็จพระเทพศิรินทราบรมราชินี

เมื่อพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ยังทรงพระอิสสริยยศเป็น สมเด็จเจ้าฟ้าจุฬาลงกรณ์ มีพระชนมายุได้ 8 พรรษา สมเด็จพระเทพศิรินทราบรมราชินีได้เสด็จสวรรคตเมื่อวันที่ 9 กันยายน พ.ศ. 2404 พระองค์เจ้าละม่อมก็ได้ทรงเลี้ยงดูพระองค์ พร้อมด้วยพระขนิษฐา และพระอนุชา ทุกพระองค์

พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงเคารพสมเด็จฯ กรมพระยาสุดารัตนราชประยูร และยกย่องเสมอพระราชชนนี ทรงออกพระนามว่า เสด็จยาย และโปรดให้พระราชโอรสพระธิดาออกพระนามว่า ทูลหม่อมย่า ทรงสถาปนาพระองค์เจ้าละม่อมเป็น พระเจ้าราชวรวงศ์เธอ กรมพระสุดารัตนราชประยูร เมื่อ พ.ศ. 2411 และในวันที่ 1 มกราคม พ.ศ. 2416 ทรงเลื่อนเป็น พระเจ้าบรมมหัยยิกาเธอ กรมสมเด็จพระสุดารัตนราชประยูร เพราะได้ทำนุบำรุงพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวมาแต่ยังทรงพระเยาว์ และเป็นผู้ได้สำเร็จราชการในพระบรมมหาราชวังฝ่ายใน[2] ชาววังออกพระนามพระองค์ว่า ทูลกระหม่อมแก้ว

พระเจ้าบรมมหัยยิกาเธอ กรมสมเด็จพระสุดารัตนราชประยูร ประชวรด้วยพระโรคชรามาช้านาน จนวันที่ 17 สิงหาคม พ.ศ. 2439 พระอาการทรุดลง พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวจึงเสด็จไปเฝ้าที่พระตำหนัก จนพระเจ้าบรมมหัยยิกาเธอสิ้นพระชนม์ในเวลาเช้า 4 โมง 34 นาที โปรดให้อัญเชิญพระศพมาบำเพ็ญพระกุศล ณ พระที่นั่งดุสิตมหาปราสาท ประดิษฐานบนแว่นฟ้า 3 ชั้น ประกอบพระโกศทองใหญ่ ภายใต้เศวตฉัตร 5 ชั้น[3] และในวันที่ 25 สิงหาคม ศกนั้น ก็ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้สถาปนาพระเกียรติยศ โดยพระราชทานเศวตฉัตร 7 ชั้น และให้ใช้คำว่า "สวรรคต" เสมอด้วยสมเด็จพระบรมราชชนนี[4] และทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้บรรจุพระอังคารใต้ฐานพระธรรมจักร ณ วัดเบญจมบพิตรดุสิตวนารามราชวรวิหาร

ต่อมาพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงออกพระนามว่า สมเด็จพระเจ้าบรมไปยิกาเธอ กรมพระยาสุดารัตนราชประยูร[5]