ด้านราชการสงคราม

การศึกกับเขมร

ปี พ.ศ. 1974 สมเด็จพระบรมราชาธิราชได้เสด็จยกทัพไปตีเมืองนครหลวง (นครธม) ในรัชสมัยพระธรรมาโศกราชได้ แล้วโปรดให้พระนครอินท์เจ้า พระราชโอรสไปครองเมืองนครหลวงแทนในฐานะเมืองประเทศราช แล้วให้นำพระยาแก้วพระยาไท พร้อมทั้งพระประยูรญาติ เหล่าขุนนาง กับทั้งรูปหล่อพระโคสิงห์สัตว์ต่าง ๆ กลับมากรุงศรีอยุธยาด้วย ทำให้อิทธิพลของเขมรในด้านการปกครอง ประเพณี ตลอดจนงานศิลปะมาปรากฏชัดในอยุธยา ต่อมาพระองค์ได้แต่งตั้งพระอินทราชาอยู่ครองกรุงนครธม แต่พระอินทราชาอยู่ปกครองกรุงกัมพูชาได้ไม่นานเท่าใดก็ประชวร สิ้นพระชนม์ พระองค์จึงทรงแต่งตั้งเจ้าเขมรองค์อื่นขึ้นครองแทน

การศึกกับล้านนา

ในปี พ.ศ. 1985 พระเจ้าติโลกราชแห่งเชียงใหม่ ได้รบกับท้าวช้อยผู้เป็นพระอนุชา ท้าวช้อยแพ้หนีไปอยู่เมืองเทิง(อำเภอเทิง จังหวัดเชียงราย) เจ้าเมืองเทิงได้มาขอสวามิภักดิ์กับกรุงศรีอยุธยาและขอให้ส่งกองทัพไปช่วยรบ สมเด็จพระบรมราชาธิราชจึงทรงยกกองทัพไปตีเมืองเชียงใหม่ของอาณาจักรล้านนาแต่ก็ตีไม่สำเร็จประกอบกับทรงพระประชวรจึงทรงยกกองทัพกลับกรุงศรีอยุธยา

พระองค์ทรงยกกองทัพไปตีเชียงใหม่อีกครั้ง เมื่อ พ.ศ. 1987 ทรงตั้งทัพหลวงที่ตำบลปะทายเขษม ครั้งนี้ได้หัวเมืองชายแดนของเชียงใหม่กับเชลยอีก 120,000 คน จึงยกทัพหลวงกลับพระนคร

ด้านการพระศาสนา

เมื่อสมเด็จพระบรมราชาธิราชเสด็จขึ้นครองราชย์ โปรดให้สถาปนาเจดีย์ใหญ่ สองพระองค์ ไว้ตรงบริเวณที่เจ้าอ้ายพระยาและเจ้ายี่พระยา พระเชษฐาชนช้างสู้รบกันถึงสิ้นพระชนม์ทั้งคู่ ณ ตำบลป่าถ่าน พร้อมกับได้โปรดให้สถาปนาวัดราชบูรณะ ประกอบด้วยพระธาตุ และพระวิหาร โดยสร้างไว้ ณ บริเวณที่ถวายพระเพลิงศพเจ้าอ้ายพระยาและเจ้ายี่พระยาและสร้างพระปรางค์ใหญ่ขึ้นเพื่อบำเพ็ญพระราชกุศลแด่สมเด็จพระอินทราชา พระราชบิดาในวาระนั้นด้วย

พ.ศ. 1981 สมเด็จพระบรมราชาธิราชได้ทรงสร้างวัดมเหยงคณ์

ด้านการปกครอง

ทรงตรากฎหมายลักษณะอาญาศึก (อยู่ในลักษณะกบฏศึก) ขึ้น

การรวมสุโขทัยกับอยุธยา

พระเจ้าติโลกราชเป็นผู้นำที่เข้มแข็งในการสงคราม ได้พยายามที่จะขยายอาณาเขตของเมืองเชียงใหม่ลงมาทางใต้ สมเด็จพระบรมราชาธิราชทรงเห็นว่าหากปล่อยให้เชื้อสายราชวงศ์พระร่วง ปกครองสุโขทัยในฐานะเมืองประเทศราชอยู่เช่นนั้นแล้ว จะทำให้ผู้คนในหัวเมืองพากันไปเข้ากับล้านนา หรือไม่ก็ถูกล้านนาลงมารุกราน ด้วยสุโขทัยนั้นอ่อนแอลงไม่เข้มแข็งพอ ที่จะดูแลหัวเมืองต่าง ๆ นั้นได้

เพื่อให้หัวเมืองฝ่ายเหนือหรืออาณาจักรสุโขทัยในการดูแลของเมืองพิษณุโลก อยู่ในอำนาจของกรุงศรีอยุธยาโดยสมบูรณ์ ดังนั้นใน พ.ศ. 1981 เมื่อพระมหาธรรมราชาที่ 4 ได้สวรรคตลง สมเด็จพระบรมราชาธิราชจึงทรงให้รวบรวมหัวเมืองเหนือที่เคยแยกการปกครองเป็นสองเขตนั้น รวมเป็นเขตเดียวกัน แล้วแต่งตั้งพระราชโอรสที่ประสูติแต่พระราชเทวี (ซึ่งเป็นพระราชธิดาในพระมหาธรรมราชาที่ 2) เป็นสมเด็จพระราเมศวรเจ้า ให้ขึ้นไปครองเมืองพิษณุโลกเพื่อกำกับดูแลหัวเมืองเหนือทั้งหมด ทำให้ราชวงศ์พระร่วงหมดอำนาจในปกครองสุโขทัย อาณาจักรสุโขทัยจึงค่อย ๆ ถูกรวมกับกรุงศรีอยุธยา