สมเด็จพระบรมราชาธิราชเจ้า มีพระนามเดิมว่าพระบรมราชา เป็นพระราชโอรสในสมเด็จพระบรมไตรโลกนาถ พระราชพงศาวดารกรุงเก่า ฉบับหลวงประเสริฐอักษรนิติ์ ระบุว่าในปี พ.ศ. 2006 สมเด็จพระบรมไตรโลกนาถทรงย้ายไปเสวยราชสมบัติเมืองพิษณุโลก จึงให้พระบรมราชาเสวยราชสมบัติกรุงศรีอยุธยาแทน ทรงพระนามว่าสมเด็จพระบรมราชาธิราช ในปีนั้นพระเจ้าติโลกราชยกทัพมาตีเมืองสุโขทัย สมเด็จพระบรมราชาธิราชจึงตามเสด็จและสามารถตีทัพพระยายุทธิษเฐียรแตก[3] และในปี พ.ศ. 2009 ทรงผนวช[4]

ในช่วงว่างจากราชการสงครามได้เสด็จฯ ไปวังช้างที่ตำบลไทรย้อยในปี พ.ศ. 2026 และที่ตำบลสำฤทธีบุรณในปี พ.ศ. 2029 ถึงปี พ.ศ. 2031 ทรงตีได้เมืองทวายแต่เกิดอาเพศหลายประการคือ มีโคตกลูกตัวหนึ่งมี 8 เท้า มีไข่ไก่ออกเป็นตัวมี 4 เท้า ไก่ฟักไข่สามฟองแต่ออกมาเป็น 6 ตัว มีข้าวสารงอกใบ แล้วพระราชบิดาก็สวรรคตในปีนั้น และพระราชกิจสำคัญอย่างสุดท้ายคือโปรดให้ก่อกำแพงเมืองพิชัยในปี พ.ศ. 2033[3]

สมเด็จพระบรมราชาธิราชเจ้า เสด็จสวรรคตในปี พ.ศ. 2034 สมเด็จพระเชษฐาธิราชเจ้าเมืองพิษณุโลกจึงเสด็จลงมาสืบราชสมบัติกรุงศรีอยุธยา ทรงพระนามว่าสมเด็จพระรามาธิบดี[3]