พระเจ้าบรมวงศ์เธอ เจ้าฟ้ากรมขุนขัตติยกัลยา ประสูติเมื่อวันจันทร์ เดือนอ้าย ขึ้น 2 ค่ำ ปีเถาะ สัปตศก จุลศักราช 1217 ตรงกับวันที่ 10 ธันวาคม พ.ศ. 2398 เป็นพระราชธิดาลำดับที่ 21 ในพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ประสูติแต่พระสัมพันธวงศ์เธอ พระองค์เจ้าพรรณราย มีพระอิสริยยศเป็น พระเจ้าลูกเธอ พระองค์เจ้ากรรณิกาแก้ว

ในรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว พระองค์มีพระอิสริยยศเป็นพระเจ้าน้องนางเธอ และสิ้นพระชนม์เมื่อวันพุธ เดือน 7 ขึ้น 14 ค่ำปีมะเมีย สัปจศก จุลศักราช 1244 ตรงกับวันที่ 13 พฤษภาคม พ.ศ. 2425 สิริพระชันษา 26 ปี ต่อมาโปรดให้สถาปนาพระอัฐิเป็นพระเจ้าน้องนางเธอ กรมขุนขัติยกัลยา เมื่อวันที่ 12 กันยายน พ.ศ. 2425[1] และสถาปนาเป็น พระเจ้าน้องนางเธอ เจ้าฟ้ากรมขุนขัติยกัลยา พร้อมกับทรงสถาปนาพระเจ้าน้องยาเธอ พระองค์เจ้าจิตรเจริญ ขึ้นเป็นพระเจ้าน้องยาเธอ เจ้าฟ้ากรมขุนนริศรานุวัดติวงษ์[2] ที่ทรงสถาปนาเป็นเจ้าฟ้านั้นเพราะในฐานะที่เจ้าฟ้าหญิงพระองค์นี้เป็นพระขนิษฐาที่ใกล้ชิดที่สุด (รองจากสมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ เจ้าฟ้าจันทรมณฑล โสภณภควดี กรมหลวงวิสุทธิกระษัตริย์ ซึ่งเป็นพระเจ้าน้องนางเธอร่วมพระมารดา) เพราะพระมารดาคือพระสัมพันธวงศ์เธอ พระองค์เจ้าพรรณรายนั้นเป็นพระมาตุจฉาของพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว (ตรัสเรียกว่า น้าแฉ่)

ในรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว โปรดให้เปลี่ยนคำนำพระนามเป็นพระเจ้าบรมวงษ์เธอ ตั้งแต่วันที่ 23 ตุลาคม พ.ศ. 2453[3]