ฉัตรชัย พรหมเลิศ เริ่มต้นรับราชการครั้งแรกเมื่อวันที่ 13 สิงหาคม พ.ศ. 2527 ในตำแหน่งปลัดอำเภอ (เจ้าพนักงานปกครอง 3) อำเภอดงหลวง จังหวัดมุกดาหาร จากนั้นจึงได้ขยับตำแหน่งสูงขึ้นจนกระทั่งได้ขยับจากตำแหน่งรองอธิบดีกรมป้องกันและบรรเทาสาธารณภัยมาดำรงตำแหน่งผู้ว่าราชการจังหวัดลพบุรีเมื่อ พ.ศ. 2552 [27] ก่อนที่ พ.ศ. 2555 จะได้ขยับมาดำรงตำแหน่งอธิบดีกรมป้องกันและบรรเทาสาธารณภัยแทนนาย วิบูลย์ สงวนพงศ์ ที่ขยับขึ้นไปดำรงตำแหน่งปลัดกระทรวงมหาดไทย [28]วันที่ 25 ธันวาคม พ.ศ. 2555 นายฉัตรชัยรับตำแหน่ง กรรมการอื่นในคณะกรรมการการไฟฟ้าส่วนภูมิภาค[29]

ในวันที่ 26 มีนาคม พ.ศ. 2556 เขารับตำแหน่งประธานกรรมการในคณะกรรมการการประปาส่วนภูมิภาค[30]

ในวันที่ 21 มกราคม พ.ศ. 2557 เขารับตำแหน่งกรรมการ ศูนย์รักษาความสงบ ในรัฐบาล ยิ่งลักษณ์ ชินวัตร

ในปี พ.ศ. 2558 เขารับตำแหน่งนายกสมาคมนิสิตเก่าคณะรัฐศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

ในวันที่ 29 พฤศจิกายน พ.ศ. 2559 เขารับตำแหน่งกรรมการในคณะกรรมการการประปาส่วนภูมิภาค

นอกจากนั้นเขารับตำแหน่งที่ปรึกษาสมาคมผู้อาสาสมัครช่วยการศึกษาและคัดเลือกพ่อตัวอย่างแห่งชาติ[31]

ปลัดกระทรวงมหาดไทย

วันอังคารที่ 18 กรกฎาคม พ.ศ. 2560 ในการประชุมคณะรัฐมนตรีทางคณะรัฐมนตรีมีมติเห็นชอบให้นายฉัตรชัยดำรงตำแหน่งปลัดกระทรวงมหาดไทยต่อจากนาย กฤษฎา บุญราช ที่เกษียณอายุราชการในวันที่ 30 กันยายน พ.ศ. 2560 ตามที่ พลเอกอนุพงษ์ เผ่าจินดา รัฐมนตรีว่าการกระทรวงมหาดไทย เสนอโดยให้มีผลตั้งแต่วันที่ 1 ตุลาคม พ.ศ. 2560

ในวันจันทร์ที่ 28 สิงหาคม พ.ศ. 2560 ได้เผยแพร่ประกาศสำนักนายกรัฐมนตรีด้วยมีพระราชโองการโปรดเกล้า ฯ แต่งตั้งนายฉัตรชัยให้ดำรงตำแหน่งปลัดกระทรวงมหาดไทย [32]และเป็นกรรมการในคณะกรรมการหลักประกันสุขภาพแห่งชาติ[33]

ในวันที่ 22 พฤศจิกายน พ.ศ. 2560 เขารับตำแหน่งประธานกรรมการสหกรณ์ออมทรัพย์ กระทรวงมหาดไทย จำกัด[34]

ในวันที่ 5 มิถุนายน พ.ศ. 2561 เขารับตำแหน่งประธานคณะกรรมการในคณะกรรมการการไฟฟ้านครหลวง

ในวันที่ 21 กรกฎาคม พ.ศ. 2561 เขารับตำแหน่งกรรมการในคณะกรรมการนโยบายการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศแห่งชาติ [35]