พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าประภาวสิทธิ์นฤมล ประสูติเมื่อวันที่ 11 มิถุนายน พ.ศ. 2428 เป็นพระธิดาพระองค์เล็กในสมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ เจ้าฟ้าจาตุรนต์รัศมี กรมพระจักรพรรดิพงษ์ ประสูติแต่หม่อมราชวงศ์สว่าง จักรพันธุ์ (ราชสกุลเดิม ศิริวงศ์) พระธิดาในพระสัมพันธวงศ์เธอ พระองค์เจ้ามงคลเลิศ (พระเชษฐาในสมเด็จพระเทพศิรินทราบรมราชินี)

เมื่อแรกประสูติมีพระยศเป็นหม่อมเจ้า ต่อมาเมื่อวันที่ 26 พฤศจิกายน พ.ศ. 2436 พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงสถาปนาเป็น "พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้า" ต่อมาเมื่อวันที่ 12 เมษายน พ.ศ. 2443 ทรงเลื่อนเป็น "พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้า"