พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเฉลิมศึกยุคล ทรงเคยดำรงแหน่งรองเจ้ากรมวิทยาศาสตร์ทหารบก ผู้ชำนาญการกองทัพบก และเคยดำรงตำแหน่ง ผู้ทรงคุณวุฒิพิเศษกองทัพบก[5] ปัจจุบันทรงเป็นที่ปรึกษากรมวิทยาศาสตร์ทหารบก และ ประธานคณะกรรมการ BWC ประเทศไทย ศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ[6] และยังทรงดำรงตำแหน่งสมาชิกของกลุ่มที่ปรึกษาด้านเทคนิคขององค์การอนามัยโลก[7] และทรงเป็นกรรมการในคณะกรรมการประสานงานแห่งชาติเพื่อการปฏิบัติให้เป็นไปตามอนุสัญญาห้ามอาวุธชีวภาพ

ปัจจุบันทรงเป็นที่ปรึกษาองค์การอนามัยโลก ในกลุ่มที่ปรึกษาทางวิชาการด้านการประสานความร่วมมือระหว่างหน่วยงานด้านสาธารณสุขพลเรือนกับหน่วยงานด้านความมั่นคง (Health and Security Interface Technical Advisory Group, HIS-TAG)

พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเฉลิมศึกยุคล ได้เสด็จแทนพระบาทสมเด็จพระบรมชนกาธิเบศร มหาภูมิพลอดุลยเดชมหาราช บรมนาถบพิตร และสมเด็จพระเจ้าภคินีเธอ เจ้าฟ้าเพชรรัตนราชสุดา สิริโสภาพัณณวดี อยู่บ่อยครั้ง[8] เช่น

• เสด็จแทนพระองค์ ไปในการพระราชพิธีทรงบำเพ็ญพระราชกุศลอุปสมบทนาคหลวง[9]
• การเชิญพระโกศพระศพสมเด็จพระญาณสังวร (เจริญ สุวฑฺฒโน)[10]

ในพระราชพิธีบรมราชาภิเษก พุทธศักราช 2562 พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเฉลิมศึกยุคล ทรงเป็นหนึ่งในผู้ทูลเกล้าฯ ถวายน้ำอภิเษกแด่พระบาทสมเด็จพระวชิรเกล้าเจ้าอยู่หัว ระหว่างประทับเหนือพระที่นั่งอัฐทิศอุทุมพรราชอาสน์ โดยพระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเฉลิมศึกยุคล ทรงเป็นผู้แทนประจำทิศทักษิณ[11]

นอกจากนี้ พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเฉลิมศึกยุคล ยังได้ถวายงานเสด็จปฏิบัติพระกรณียกิจแทนพระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าโสมสวลี กรมหมื่นสุทธนารีนาถ อยู่บ่อยครั้ง เช่น

• เสด็จแทนพระองค์ไปทรงเป็นประธานในพิธีปฏิญาณตน และสวนสนามของยุวกาชาด ในงานวันคล้ายวันสถาปนายุวกาชาดไทย ประจำปี พ.ศ. 2563
• เสด็จแทนพระองค์ไปทรงเยี่ยมและประทานสิ่งของแก่ข้าราชการทหาร ตำรวจที่เจ็บป่วยจากการปฏิบัติราชการสนาม เพื่อเป็นขวัญและกำลังใจ[12][13]
• เสด็จแทนพระองค์ไปทรงเป็นประธานงานเลี้ยงพระกระยาหารค่ำเฉลิมฉลองครบรอบ 150 ปี มิตรภาพระหว่างราชอาณาจักรไทยและราชอาณาจักรเบลเยียม ณ โรงแรม ดิ แอทธินี แบงค็อก โอกาสนี้ทรงรับเจ้าหญิงเลอาแห่งเบลเยียม ที่เสด็จมาทรงเป็นเกียรติในงานครั้งนี้ด้วย โอกาสนี้ หม่อมเจ้ามงคลเฉลิม ยุคล และหม่อมเจ้านวพรรษ์ ยุคล โดยเสด็จในการนี้ด้วย
• เป็นผู้แทนพระองค์ เป็นประธานมอบโล่ประกาศเกียรติคุณ อาสาสมัครดีเด่นและองค์การที่มีกิจกรรมทางสังคมดีเด่น ประจำปี พ.ศ. 2563 ในงานวันสังคมสงเคราะห์แห่งชาติและวันอาสาสมัครไทย ประจำปี พ.ศ. 2563 โดยมีนางพัชรี อาระยะกุล ปลัดกระทรวงการพัฒนาสังคมและความมั่นคงของมนุษย์ และนายสุทธิ จันทรวงษ์ อธิบดีกรมพัฒนาสังคมและสวัสดิการ เฝ้ารับเสด็จ ณ โรงแรมมิราเคิล แกรนด์ คอนเวนชั่น

ในด้านสาธารณกุศล พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเฉลิมศึกยุคล ทรงเป็นประธานในการระดมทุนเพื่อจดทะเบียนจัดตั้ง "มูลนิธิสถาบันการศึกษาในรัชกาลที่ 6 และสมเด็จเจ้าฟ้าเพชรัตนราชสุดาฯ" และทรงดำรงตำแหน่งองค์ประธานกรรมการมูลนิธิฯ[14]

ด้านการทหาร

พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเฉลิมศึกยุคลทรงมีความเชี่ยวชาญด้านอาวุธนิวเคลียร์ อาวุธเคมี และอาวุธชีวภาพ ดำรงแหน่งรองเจ้ากรมวิทยาศาสตร์ทหารบก ผู้ชำนาญการกองทัพบก และเคยดำรงตำแหน่ง ผู้ทรงคุณวุฒิพิเศษกองทัพบก หลังจากเกษียณอายุราชการแล้วปัจจุบันทรงเป็นที่ปรึกษากรมวิทยาศาสตร์ทหารบก และประธานคณะกรรมการ BWC ประเทศไทย ศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ และยังทรงดำรงตำแหน่งสมาชิกของกลุ่มที่ปรึกษาด้านเทคนิคขององค์การอนามัยโลก และทรงเป็นกรรมการในคณะกรรมการประสานงานแห่งชาติเพื่อการปฏิบัติให้เป็นไปตามอนุสัญญาห้ามอาวุธเคมี และทรงงานเกี่ยวกับการป้องกัน คชรน. โดยทรงร่วมเป็นกรรมการและผู้ทรงคุณวุฒิ และวิทยากรผู้เชี่ยวชาญ ผู้บรรยายอบรม ทั้งในประเทศและต่างประเทศ เช่น

• เป็นผู้แทนประเทศไทยเข้าร่วมการประชุมสนธิสัญญาพหุภาคีเกี่ยวกับการลดอาวุธอานุภาพทำลายล้างสูง (WMD) ในกรุงเจนีวา และกรุงเฮก ประเทศเนเธอแลนด์[15]
• ในปี พ.ศ. 2534 และปีพ.ศ. 2545-2546 เป็นผู้ตรวจสอบอาวุธเคมีในอิรักสำหรับสำนักงานคณะกรรมการพิเศษแห่งสหประชาชาติ และคณะกรรมการติดตาม และตรวจสอบของสหประชาชาติ
• ทำงานเป็นผู้ฝึกอบรมผู้ตรวจสอบอาวุธเคมีของสหประชาชาติในอิรัก
• ประธานคณะกรรมการอนุสัญญาว่าด้วยการห้ามพัฒนา ผลิต และสะสมอาวุธชีวภาพและสารพิษ และว่าด้วยการทำลายอาวุธดังกล่าว (BWC)
• ประธานของคณะทำงานของ NSC เรื่องภัยคุกคามทางชีวภาพและทางเคม
• ในปี พ.ศ. 2562 พระบาทสมเด็จพระวชิรเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ พระราชทานยศทหารชั้นนายพลเป็นกรณีพิเศษ เป็น พลเอก
• ในปี พ.ศ. 2563 พระบาทสมเด็จพระวชิรเกล้าเจ้าอยู่หัว มีพระบรมราชโองการโปรดเกล้าโปรดกระหม่อมแต่งตั้งเป็นนายทหารพิเศษ ประจำกรมทหารมหาดเล็กราชวัลลภ รักษาพระองค์ กองบัญชาการทหารมหาดเล็กราชวัลลภรักษาพระองค์ หน่วยบัญชาการถวายความปลอดภัยรักษาพระองค์[16][17]