พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าอาทิตย์ทิพอาภา เป็นพระโอรสในพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหลวงชุมพรเขตอุดมศักดิ์ ประสูติแต่พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าทิพยสัมพันธ์ เมื่อวันที่ 24 กรกฎาคม พ.ศ. 2447 มีพระนามแรกประสูติว่า หม่อมเจ้าอาทิตย์ทิพอาภา มีพระโสทรภราดา 2 องค์ ได้แก่

• หม่อมเจ้าเกียรติ อาภากร ประสูติและสิ้นชีพตักษัยในวันเดียวกัน ประมาณปี พ.ศ. 2446
• พลอากาศโท หม่อมเจ้ารังษิยากร อาภากร (11 สิงหาคม พ.ศ. 2449 – 30 ธันวาคม พ.ศ. 2508)

เมื่อวันที่ 26 กรกฎาคม พ.ศ. 2451 พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าทิพยสัมพันธ์ พระมารดาได้ปลงพระชนม์ชีพพระองค์เอง เนื่องจากทรงน้อยพระทัยพระสวามี พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว จึงทรงรับหม่อมเจ้าอาทิตย์ทิพอาภาไปทรงเลี้ยงดู ทรงเอ็นดูเป็นพิเศษและทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้สถาปนาขึ้นเป็น พระหลานเธอ พระองค์เจ้าอาทิตย์ทิพอาภา เมื่อวันที่ 28 พฤศจิกายน พ.ศ. 2452[2]

ต่อมา พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้เปลี่ยนคำนำหน้าพระนามเป็น พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าอาทิตย์ทิพอาภา[3]

พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าอาทิตย์ทิพอาภา เสกสมรสกับหม่อมกอบแก้ว อาภากร ณ อยุธยา (สกุลเดิม วิเศษกุล) นางพระกำนัลในสมเด็จพระนางเจ้ารำไพพรรณี พระบรมราชินี เมื่อวันที่ 5 มกราคม พ.ศ. 2472 ไม่ทรงมีทายาท

พระองค์ทรงดำรงตำแหน่งผู้สำเร็จราชการแทนพระองค์ ในสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวอานันทมหิดล ร่วมกับพระเจ้าวรวงศ์เธอ กรมหมื่นอนุวัตน์จาตุรนต์, เจ้าพระยายมราช (ปั้น สุขุม), พลเอก เจ้าพระยาพิชเยนทรโยธิน (อุ่ม อินทรโยธิน) และหลวงประดิษฐ์มนูธรรม (ปรีดี พนมยงค์)[4] และทรงลาออกเมื่อวันที่ 31 กรกฎาคม พ.ศ. 2487[5] โดยในระหว่างที่ทรงดำรงตำแหน่งผู้สำเร็จราชการแทนพระองค์นั้น พระองค์ได้รับการสถาปนาขึ้นเป็น พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าอาทิตย์ทิพอาภา[6]

พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าอาทิตย์ทิพอาภา สิ้นพระชนม์ด้วยโรคมะเร็ง เมื่อวันที่ 19 พฤษภาคม พ.ศ. 2489 สิริพระชันษา 42 ปี มีพระราชพิธีพระราชทานเพลิงพระศพเมื่อวันที่ 8 มิถุนายน พ.ศ. 2489 ณ พระเมรุ วัดเทพศิรินทราวาส