การครองราชบัลลังก์ของขุนวรวงศาธิราชนั้น ไม่เป็นที่เห็นชอบของขุนนางในราชสำนักและพระญาติวงศ์บางส่วน เพราะขุนวรวงศาธิราชทรงขึ้นครองบัลลังก์โดยไม่ชอบธรรมจึงมีขุนนางบางคนรวมตัวกันเพื่อล้มล้างราชบัลลังก์ ได้แก่ ขุนพิเรนทรเทพ เจ้านายเชื้อสายราชวงศ์พระร่วง ขุนอินทรเทพ หมื่นราชเสน่หา (ในราชการ) และหลวงศรียศบ้านลานตากฟ้า ทั้งสี่ร่วมกันวางแผนลอบปลงพระชนม์ จนโอกาสมาถึงเมื่อกรมการเมืองลพบุรีกราบทูลขุนวรวงศาธิราชว่า มีช้างเผือกเชือกหนึ่งที่ลพบุรี ขุนวรวงศาธิราชรับสั่งว่าจะไปจับแต่ต่อมาเปลี่ยนพระทัยให้กรมการเมืองลพบุรีไปจับแทน หลังจากนั้น 7 วันช้างเผือกเข้ามาทางวัดแม่นางปลื้มเข้าเพนียดวัดซองพระองค์จึงรับสั่งว่าหนนี้จะเสด็จไปจับเอง ขุนพิเรนทรเทพสั่งให้หมื่นราชเสน่หา (นอกราชการ) ไปดักยิงอุปราชจันน้องขุนวรวงศาธิราชตายที่ท่าเสื่อระหว่างขี่ช้างไปเพนียด จากนั้น ขุนพิเรนทรเทพได้เรียกพระยาพิชัยกับพระยาสวรรคโลก ข้าราชการเมืองเหนือลงมาร่วมมือในการก่อการครั้งนี้ด้วย ขุนวรวงศาธิราชประทับนั่งเรือพระที่นั่งไปกับแม่อยู่หัวศรีสุดาจันทร์และพระธิดา (บางตำราว่าถูกสำเร็จโทษ) ที่เกิดด้วยกันและพระศรีศิลป์ ดังนั้น ขุนวรวงศาธิราชจึงทรงถูกลอบปลงพระชนม์ (บ้างก็ว่าถูกสำเร็จโทษ) ที่คลองสระบัว ข้างคลองปลาหมอโดยขุนพิเรนทรเทพกับสมัครพรรคพวก (ในบันทึกของเจอเรมิส วันวลิต บอกว่าถูกลอบยิงด้วยปืนที่ข้างประตูวัง) พร้อมท้าวศรีสุดาจันทร์และพระธิดา พระบรมศพนั้นถูกนำไปเสียบประจานไว้ที่วัดแร้ง[3] พระราชพงศาวดาร ฉบับพันจันทนุมาศว่าทรงครองราชย์ได้ 5 เดือน แต่คำให้การชาวกรุงเก่าว่า 2 ปี สวรรคตเมื่อพระชนมายุได้ 22 พรรษา