พระยาประเสริฐสุนทราศรัยเข้ารับราชการเป็นมหาดเล็กจากนั้นจึงได้เป็นพระพี่เลี้ยงใน สมเด็จพระเจ้าลูกยาเธอ เจ้าฟ้าจักรพงษ์ภูวนาถ ต่อมาได้ขึ้นไปรับราชการที่ มณฑลนครราชสีมา ในตำแหน่งผู้ช่วยข้าหลวงมหาดไทยมณฑลนครราชสีมา จนได้รับพระราชทานสัญญาบัตรเป็น หลวงรังสฤษดิ์ศุขการ เมื่อวันที่ 30 เมษายน พ.ศ. 2437

จากนั้นอีก 3 ปีต่อมาคือในปี พ.ศ. 2440 ได้รับโปรดเกล้าฯ แต่งตั้งให้เป็นข้าหลวงมหาดไทยมณฑลนครราชสีมา จากนั้นในวันที่ 9 พฤษภาคม พ.ศ. 2444 ได้โปรดเกล้าฯ ให้ไปรั้งตำแหน่งผู้ว่าราชการเมืองนางรอง ซึ่งวันที่ 3 สิงหาคม ปีเดียวกันได้เปลี่ยนชื่อเป็น เมืองบุรีรัมย์[2]จนได้รับพระราชทานสัญญาบัตรเป็น พระนครภักดี ศรีนครานุรักษ์ เมื่อวันที่ 23 มีนาคม พ.ศ. 2447

ในวันที่ 13 มิถุนายน พ.ศ. 2451 โปรดเกล้าฯ แต่งตั้งให้ไปรับตำแหน่ง ปลัดมณฑลอุดร โดยมี หลวงอนุรักษ์ภูเบศร์ ข้าหลวงมหาดไทยมณฑลภูเก็ตมารับตำแหน่งผู้ว่าราชการเมืองบุรีรัมย์แทน โดยได้รับโปรดเกล้าฯ พระราชทานยศเป็นอำมาตย์โท เมื่อวันที่ 20 สิงหาคม พ.ศ. 2454 จากนั้นจึงได้ย้ายไปรับตำแหน่ง ผู้ว่าราชการเมืองเลย แทน พระภักดีศรีสงคราม ที่สลับไปรับตำแหน่ง ปลัดมณฑลอุดร เมื่อวันที่ 2 มิถุนายน พ.ศ. 2456

จากนั้นจึงได้รับพระราชทานบรรดาศักดิ์เป็น พระยาประเสริฐสุนทราศรัย เมื่อวันที่ 30 ธันวาคม พ.ศ. 2460 ต่อมาจึงได้ย้ายไปดำรงตำแหน่ง ผู้ว่าราชการเมืองตราด เป็นตำแหน่งสุดท้ายก่อนกราบถวายบังคมลาออกจากราชการเมื่อวันที่ 1 ตุลาคม พ.ศ. 2467