ถึงปี พ.ศ. 2106 พระเจ้าบุเรงนองยกทัพมาตีพิษณุโลก สมเด็จพระมหาธรรมราชาธิราชเห็นว่าครั้งนี้ทัพหงสาวดีมากจนเหลือกำลังจะต้านทานได้ ในวันอาทิตย์ แรม 5 ค่ำ เดือน 2 จึงทรงยอมแพ้ พระเจ้าบุเรงนองจึงรับสั่งให้สมเด็จพระมหาธรรมราชาจัดทัพไปตีกรุงศรีอยุธยาร่วมกับพระองค์ สมเด็จพระมหาธรรมราชาก็จัดพล 30,000 ไปกับทัพพระเจ้าบุเรงนอง จนกระทั่งเสียกรุงในปี พ.ศ. 2112 พระเจ้าบุเรงนองจึงถอดสมเด็จพระมหินทราธิราชจากราชสมบัติ แล้วราชาภิเษกสมเด็จพระมหาธรรมราชาธิราชเจ้าให้ครองกรุงศรีอยุธยาแทน มีราชทินนามว่า "สมเด็จพระเจ้าสรรเพชญวงศ์กุรสุริโคดม บรมราชาธิราชราเมศ ปริเวทธรรมิกราช เดโชชัย พรหมเทพาดิเทพนฤบดินทร์ ภูมิทรเทพสมมติราชบรมบพิตรพระพุทธเจ้าอยู่หัว"