Brevet undertecknades av ledare från större Manchester, Liverpool, North East, Sheffield och West Yorkshire.
Det begärde ett möte med Theresa May, som ännu inte har kommenterat, "på hennes tidigaste bekvämlighet".
Det betonar att det är "vitalt" att nordens röst hörs "högt och tydligt".
Det påpekade att regionen har en "betydligt större" ekonomi än Skottland och Wales och en befolkning som är större än London.
Större Manchesters interimsborgmästare Tony Lloyd skickade brevet på uppdrag av sig själv och ledarna för Liverpool City Region Combined Authority, North East Combined Authority, Sheffield City Region Combined Authority och West Yorkshire Combined Authority.
I brevet noterades Mays samtal med Skottlands förste minister Nicola Sturgeon i Edinburgh och hon inbjöds till ett liknande möte i Greater Manchester "för att diskutera vår roll i Brexitförhandlingarna".
Det stod: "Norra England har länge varit oroat över att vi ignoreras, fångas mellan ett ekonomiskt och politiskt mäktigt London och ett alltmer politiskt viktigt Skottland."
Den fortsatte: "När vi förhandlar om vår utträde ur Europeiska unionen har ni klargjort att ni tror på en strategi och förhandlingsmål som omfattar hela Förenade kungariket.
"På den punkten håller vi helhjärtat med.  Det är absolut nödvändigt att nordens röst hörs högt och tydligt."
De kombinerade myndigheterna inrättades som en del av regeringens decentraliseringsagenda.
Detta ledde till Northern Powerhouse strategi, hjärnbarn av f.d. förbundskansler George Osborne, ett försök att inhägna nordens befolkning på 15 miljoner till en kollektiv kraft som kunde börja konkurrera med London och Sydöst.
Det har rått viss osäkerhet om dess fortsättning efter Mays omväxling och Osbornes återkomst till bakbänkarna.
Konservativ parlamentsledamot för brigad och Goole Andrew Percy utsågs dock till ny minister för norra Powerhouse på söndagen och en talesman för regeringen sa att Northern Powerhouse skulle "fortsätta att vara en prioritet".
Ledare för fem kombinerade myndigheter har skrivit till premiärministern och sagt att norra England behöver en "stark röst" i Brexit-förhandlingarna.