สมเด็จพระไชยราชาธิราชสวรรคตใน พ.ศ. 2089 พระยอดฟ้าจึงสืบราชสมบัติต่อ เวลานั้น มีพระชนมายุ 11 พรรษา พระราชพงศาวดารบันทึกว่า "นางพระยาแม่อยู่หัวศรีสุดาจันทร์ผู้เป็นสมเด็จพระชนนีช่วยทำนุบำรุงประคองราชการแผ่นดิน"[2] การเมืองยามนั้นยังวุ่นวาย พระเฑียรราชา เชื้อพระวงศ์ฝ่ายสมเด็จพระไชยราชาธิราช น่าจะเป็นกำลังสำคัญในการประคับประคองราชการแผ่นดินได้ แต่กลับเกรงราชภัย หนีไปผนวชที่วัดราชประดิษฐาน ตำบลท่าทราย ในกรุงศรีอยุธยา ตลอดรัชกาลสมเด็จพระยอดฟ้า[1][4]

เยเรเมียส ฟาน ฟลีต (Jeremais van Vliet) ว่า สมเด็จพระยอดฟ้าโปรด "ทรงม้าไปตามป่าตามทุ่งและไร่นา ชนช้าง ทรงพระแสง ฝึกหัดขัตติยวิชา" และ "ในรัชกาลของพระองค์บ้านเมืองอุดมสมบูรณ์ทุกแห่งหน มิได้อดอยากแห้งแล้ง"[1] ขณะที่พงศาวดารหลายฉบับของไทยบันทึกเกี่ยวกับนิมิตร้ายหลายประการซึ่งเกิดขึ้นหลังจากที่สมเด็จพระยอดฟ้าเสด็จสู่ราชสมบัติได้ไม่นาน เช่น คราวที่เสด็จออกสนามชนช้าง งาช้างที่ชื่อ "พระยาไฟ" ก็หักออกเป็น 3 ท่อน พอเวลาค่ำ ช้างต้นชื่อ "พระฉัททันต์" ร้องเหมือนเสียงคนร้องไห้ ทั้งได้ยินเสียงร้องออกมาจากประตูไพชยนต์[2]

ในเวลานั้น ท้าวศรีสุดาจันทร์ พระราชมารดาซึ่งสำเร็จราชการ ลักลอบเป็นชู้กับพันบุตรศรีเทพ พนักงานรักษาหอพระข้างหน้า ท้าวศรีสุดาจันทร์จึงมีพระเสาวนีย์ให้พระยาราชภักดีเลื่อนพันบุตรศรีเทพขึ้นเป็นขุนชินราช พนักงานรักษาหอพระข้างใน[5] ครั้นท้าวศรีสุดาจันทร์ทรงครรภ์กับขุนชินราช เห็นว่า จะปิดความไว้ไม่ได้อีกต่อไป จึงคิดอ่านยกขุนชินราชขึ้นเป็นพระเจ้าแผ่นดิน เริ่มด้วยการเลื่อนขุนชินราชเป็นขุนวรวงศาธิราช ให้สิทธิ์ขาดในการเกณฑ์และคุมกำลังคน ปลูกจวนให้อยู่ที่ริมศาลาสารบัญชีใกล้กำแพงวัง ปลูกศาลาขึ้นในวังตรงประตูดินริมต้นหมัน แล้วให้เอาเตียงอันเป็นราชอาสน์ไปตั้งไว้ในศาลานั้นสำหรับให้ขุนวรวงศาธิราชนั่งว่าราชการ ทั้งนี้ เพื่อให้ข้าราชการทั้งหลายยำเกรง[5] พระยามหาเสนา ข้าราชการผู้ใหญ่ เห็นสถานการณ์น่าเป็นห่วง ก็ปรารภกับข้าราชการคนอื่น ๆ พระยามหาเสนาจึงถูกท้าวศรีสุดาจันทร์กำจัด[5]

ครั้นสถานการณ์สุกงอมใน พ.ศ. 2091 ท้าวศรีสุดาจันทร์ก็ทรงเรียกประชุมข้าราชการ ตรัสว่า พระยอดฟ้ายังทรงพระเยาว์นัก เหตุการณ์ทางเหนือก็ยังไม่สงบ มีพระดำริว่า "เราคิดว่า จะให้ขุนวรวงศาธิราชว่าราชการแผ่นดินกว่าราชบุตรเราจะจำเริญวัยขึ้น" ข้าราชการทั้งหลายขัดไม่ได้ก็ยินยอม ท้าวศรีสุดาจันทร์จึงให้เอาราชรถและเครื่องสูงต่าง ๆ ตั้งกระบวนไปรับขุนวรวงศาธิราชเข้ามาราชาภิเษก[5] เมื่อขุนวรวงศาธิราชได้เป็นพระเจ้าแผ่นดินแล้ว ก็ให้เอาพระยอดฟ้าไปสำเร็จโทษที่วัดโคกพระยา ส่วนพระศรีศิลป์ พระอนุชานั้น มีพระชนมายุเพียง 7 พรรษา จึงไว้ชีวิต[1]

จดหมายเหตุโหรว่า พระยอดฟ้าทรงถูกสำเร็จโทษเมื่อวันอาทิตย์ ขึ้น 5 ค่ำ เดือน 8 ปีจอ จ.ศ. 910 ตรงกับวันที่ 10 มิถุนายน พ.ศ. 2091 ทรงอยู่ในราชสมบัติ 2 ปีเศษ สิริพระชนมพรรษา 13 พรรษาเศษ[3]

แต่ในพจนานุกรมไทยฉบับนักเรียน ของสำนักพิมพ์วัฒนาพานิช ฉบับแก้ไข พ.ศ. 2530 ได้กล่าวไว้ว่าพระยอดฟ้าทรงถูกขุนวรวงศาธิราชลอบปลงพระชนม์ด้วยการถอดพระองค์ออกจากราชสมบัติแล้ววางยาพิษจนสวรรคต แล้วขุนวรวงศาธิราชก็เสด็จขึ้นครองราชย์เพียง 42 วัน ขุนวรวงศาธิราชก็ถูกลอบปลงพระชนม์อีก