พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเฉลิมพลฑิฆัมพร เป็นพระโอรสในสมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ เจ้าฟ้ายุคลทิฆัมพร กรมหลวงลพบุรีราเมศวร์ กับพระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเฉลิมเขตรมงคล มีพระโสทรภราดา 2 พระองค์ คือ พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าภาณุพันธุ์ยุคล และพระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าอนุสรมงคลการ

พระบิดาเป็นพระราชโอรสในพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว กับพระวิมาดาเธอ พระองค์เจ้าสายสวลีภิรมย์ กรมพระสุทธาสินีนาฏ ปิยมหาราชปดิวรัดา ส่วนพระมารดามีศักดิ์เป็นพระภาติยะของพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ด้วยเป็นพระธิดาในสมเด็จพระราชปิตุลาบรมพงศาภิมุข เจ้าฟ้าภาณุรังษีสว่างวงศ์ กรมพระยาภาณุพันธุวงศ์วรเดช พระโสทรอนุชาของพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว

พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเฉลิมพลทิฆัมพร เป็นเจ้านายที่ทรงพระปรีชารอบรู้และฝักใฝ่พระทัยในศิลปะและวรรณคดี ทรงเกื้อกูลและอุปถ้มภ์ศิลปะและศิลปินตลอดมา ทรงชักชวนให้ธนิต อยู่โพธิ์ เขียนเรื่องงานศิลป์เกี่ยวกับโขนต่อไปหลังจากที่ได้เขียนเรื่องโขนเมื่อหลายปีมาแล้ว

พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเฉลิมพลฑิฆัมพร สิ้นพระชนม์เมื่อวันที่ 1 ตุลาคม พ.ศ. 2534 สิริพระชันษา 78 ปี