พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าประภาวสิทธิ์นฤมล เสกสมรสกับพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมพระกำแพงเพชรอัครโยธิน มีพระโอรสหนึ่งพระองค์ และมีพระธิดาสามพระองค์ ซึ่งพระโอรสธิดาที่ประสูติแต่พระองค์เจ้าประภาวสิทธิ์นฤมล จะมีฐานันดรศักดิ์เป็น พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้า[1] ทั้งหมด ได้แก่

1. พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้ามยุรฉัตร (7 มีนาคม พ.ศ. 2448 - 11 สิงหาคม พ.ศ. 2513) เสกสมรสกับหม่อมเจ้าโสภณภราไดย สวัสดิวัตน์ มีโอรสหนึ่งคน
2. พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเปรมบุรฉัตร (12 สิงหาคม พ.ศ. 2458 - 24 กรกฎาคม 2524) เสกสมรสกับหม่อมงามจิตต์ บุรฉัตร ณ อยุธยา[2] ไม่มีพระโอรสธิดา
3. พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าวิมลฉัตร (27 มิถุนายน พ.ศ. 2464 - 5 ธันวาคม พ.ศ. 2552) เสกสมรสกับหม่อมเจ้าอุทัยเฉลิมลาภ วุฒิชัย มีพระโอรสธิดาสองคน

พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าประภาวสิทธิ์นฤมล สิ้นพระชนม์เมื่อวันที่ 15 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2506 สิริพระชันษา 78 ปี