พลเอกชาติชาย รับราชการครั้งแรก เมื่อปี พ.ศ. 2483 ในตำแหน่งผู้บังคับหมวด กองพันทหารม้าที่ 1 รักษาพระองค์ ผู้บังคับกองร้อย กองพันทหารม้าที่ 1 รักษาพระองค์ ประจำกรมเสนาธิการทหารบก ในช่วงที่ต้องไปประจำการที่ สหรัฐไทยเดิมพอดี[10] ต่อมาในปี พ.ศ. 2492 ได้ย้ายไปดำรงตำแหน่งรองผู้ช่วยทูตฝ่ายทหารบก ณ กรุงวอชิงตัน ดี.ซี. สหรัฐอเมริกา และกลับมาเป็นผู้บังคับกองพันทหารม้าที่ 1 รักษาพระองค์ รองผู้บังคับการโรงเรียนยานเกราะ และผู้บังคับการกรมทหารม้าที่ 2 และผู้บังคับการโรงเรียนยานเกราะ

ในปี พ.ศ. 2501 ได้ถูกเหตุการณ์ทางการเมืองผันแปรชีวิตไปเป็นอุปทูตอัครราชทูตวิสามัญผู้มีอำนาจเต็ม เอกอัครราชทูตวิสามัญผู้มีอำนาจเต็ม ประจำประเทศอาร์เจนตินา และเอกอัครราชทูตวิสามัญผู้มีอำนาจเต็ม ประจำประเทศออสเตรีย ตุรกี สำนักวาติกัน และเอกอัครราชทูตผู้แทนถาวรประจำองค์การสหประชาชาติ ณ นครเจนีวา ตามลำดับ

ปี พ.ศ. 2515 พลเอกชาติชาย เดินทางกลับประเทศไทย เข้ารับตำแหน่ง อธิบดีกรมการเมือง กระทรวงการต่างประเทศ ต่อมาดำรงตำแหน่ง เอกอัครราชทูตประจำกระทรวงสำนักงานปลัดกระทรวง[11] ซึ่งนับเป็นตำแหน่งสุดท้าย ในชีวิตข้าราชการประจำ เนื่องจากในปลายปี พ.ศ. 2515 นี้เอง พลเอกชาติชาย ที่ขณะนั้นยังมียศเป็น พลจัตวาชาติชาย ชุณหะวัณ ได้รับแต่งตั้งให้เป็น รัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงการต่างประเทศ ใน คณะรัฐมนตรีคณะที่ 32 ของไทย ที่มี จอมพลถนอม กิตติขจร เป็นนายกรัฐมนตรี และหลังจากนั้น พลเอกชาติชาย ก็ได้เข้าสู่วงการเมืองอย่างเต็มตัว

ปี พ.ศ. 2531 ชาติชาย ชุณหะวัณ ได้รับพระราชทานยศทหาร เป็นพลเอก พลเรือเอก พลอากาศเอก และ เป็นนายทหารพิเศษประจำกรมทหารราบที่ 1 มหาดเล็กรักษาพระองค์[12]