พ.ศ. 2463 ทรงศึกษาจนจบหลักสูตร พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว จึงได้พระราชทานสัญญาบัตรเป็นร้อยตรีเมื่อวันที่ 29 กรกฎาคม พ.ศ. 2463 [1] ตำแหน่งนายทหารนอกกอง สังกัดกรมทหารราบที่ 1 มหาดเล็กรักษาพระองค์ในพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ต่อมาในวันที่ 27 มกราคม พ.ศ. 2465 โปรดเกล้าฯ พระราชทานยศ ร้อยโท ขณะศึกษาวิชาการทหารอยู่ที่ประเทศฝรั่งเศส [2] และยังได้ประจำการในกรมทหารราบฝรั่งเศสหลายแห่งด้วย ขณะเดียวกันได้ทรงรับคำสั่งเป็นนายทหารประจำพระองค์พันเอก สมเด็จพระเจ้าน้องยาเธอ เจ้าฟ้าประชาธิปกศักดิ์เดชน์ กรมขุนสุโขทัยธรรมราชา (ภายหลังคือพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัว) และได้เสด็จไปทอดพระเนตรงานในกองทัพฝรั่งเศสอย่างกว้างขวาง และได้รู้จักคุ้นเคยนายทหารผู้ใหญ่เป็นจำนวนมาก จากนั้นในวันที่ 26 มีนาคม พ.ศ. 2467 ได้รับพระราชทานยศ ร้อยเอก [3] ต่อมาในวันที่ 8 พฤษภาคม พ.ศ. 2469 รับพระราชทานยศ พันตรี [4]

วันที่ 5 เมษายน พ.ศ. 2472 ทรงรับราชการทหารจนได้รับพระราชทานยศพันโท [5] วันที่ 14 พฤษภาคม พ.ศ. 2473 รับพระราชทานยศพันเอก [6] ระหว่างนี้ทรงสร้างตำราทางทหารและสร้างแบบฝึก และวางแผนการป้องกันราชอาณาจักรไว้หลายอย่าง เมื่อ พ.ศ. 2474 ทรงได้รับตำแหน่งเลขานุการสภาการป้องกันพระราชอาณาจักร [7] และตำแหน่งผู้ช่วยเสนาธิการทหารบกด้วยเมื่อวันที่ 1 เมษายน พ.ศ. 2475 [8] โดยก่อนหน้านั้นในวันที่ 29 มิถุนายน พ.ศ. 2474 พระองค์ได้รับโปรดเกล้าฯ ให้ดำรงตำแหน่ง ผู้ช่วยเสนาธิการทหารบกฝ่ายทหาร [9]

เมื่อ พ.ศ. 2475 ทรงออกจากประจำการเป็นนายทหารกองหนุน [10] แล้วย้ายไปรับราชการในกระทรวงการต่างประเทศ ตำแหน่งเลขานุการเอก ประจำสถานเอกอัครราชทูตไทย ประจำกรุงวอชิงตัน อีกสองปีต่อมา ทรงลาออกจากตำแหน่งและเสร็จกลับประเทศไทย ระหว่างนี้ทรงศึกษาวิชาการต่างๆ หลายแขนง เช่น ประวัติศาสตร์ โหราศาสตร์ และวรรณคดี

วันที่ 26 เมษายน พ.ศ. 2489 สมเด็จพระเจ้าอยู่หัวอานันทมหิดล ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้กลับเข้ารับราชการในตำแหน่ง อัครราชทูต ประจำ ราชสำนักเซนต์เจมส์ ประเทศอังกฤษ [11] ต่อมาในวันที่ 2 กรกฎาคม พ.ศ. 2489 อันตรงกับรัชสมัย สมเด็จพระเจ้าอยู่หัวภูมิพลอดุลยเดช ได้มีพระบรมราชโองการโปรดเกล้าฯ ให้พระองค์เป็นอัครราชทูตไทยประจำราชสำนักเซนต์เจมส์อีกวาระหนึ่ง[12] วันที่ 31 มกราคม พ.ศ. 2490 ย้ายไปดำรงตำแหน่งอัครราชทูตประจำประเทศเดนมาร์ก[13] และฝรั่งเศส ตามลำดับ [14] จากนั้นก็ย้ายไปดำรงตำแหน่ง เอกอัครราชทูต ประจำสำนักเซนต์เจมส์ อันเป็นตำแหน่งสุดท้ายในกระทรวงการต่างประเทศ [15]

พ.ศ. 2493 ทรงพ้นตำแหน่งเอกอัครราชทูต และทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ จากพระบาทสมเด็จพระมหาภูมิพลอดุลยเดชมหาราช บรมนาถบพิตร พระราชทานยศทหารเป็น พลเอก นายทหารพิเศษประจำกองพันที่ 1 กรมทหารราบที่ 1 มหาดเล็กรักษาพระองค์ และเป็นราชองครักษ์พิเศษ เมื่อวันที่ 17 เมษายน พ.ศ. 2493 [16] และโปรดเกล้าฯ ให้ดำรงตำแหน่งองคมนตรี เมื่อวันที่ 1 พฤษภาคม พ.ศ. 2493 [17] และสถาปนาพระอิสริยศักดิ์ขึ้นเป็น พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้านักขัตรมงคล เมื่อวันที่ 8 พฤษภาคม พ.ศ. 2493 [18]

เมื่อ พ.ศ. 2495 ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ สถาปนาพระอิสริยศักดิ์ขึ้นเป็น พระวรวงศ์เธอ กรมหมื่นจันทบุรีสุรนาถ[19] และรับพระราชทานเครื่องราชอิสริยาภรณ์มหาปรมาภรณ์ช้างเผือก และมหาจักรีบรมราชวงศ์ ตามลำดับ

พระวรวงศ์เธอ กรมหมื่นจันทบุรีสุรนาถเริ่มประชวรพระโรคหลอดลมอักเสบ เมื่อกลางเดือนมกราคม พ.ศ. 2496 และยังประชวรพระโรควักกะ (ไต) พิการด้วย จนถึงวันที่ 11 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2496 เวลา 7.45 น. ก็สิ้นพระชนม์ ณ วังที่ประทับ สิริพระชันษา 55 ปี 1 เดือน 8 วัน