หลังจากสำเร็จการศึกษาจากประเทศอังกฤษ พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเฉลิมพลทิฆัมพร ได้เสด็จกลับประเทศไทย แล้วทรงเข้ารับราชการทหารในกองทัพบก โดยทรงบรรจุเข้ารับราชการในกองบัญชากาญชาการกองทัพบก พระยศว่าที่ร้อยตรี[4] หลังจากนั้นได้โอนไปเป็นข้าราชการตำรวจ สังกัดกองบังคับการตำรวจนครบาลธนบุรี กองบัญชาการตำรวจนครบาล จนกระทั่งถึงปี พ.ศ. 2491 หลังจากนั้นได้โอนกลับไปรับราชการทหารที่กองทัพบก จนกระทั่งเกษียณอายุราชการในขณะมีพระยศพันเอก สังกัดศูนย์การทหารม้า และนอกจากนี้เมื่อครั้งที่รับราชการทหาร พระองค์ยังเป็นหัวหอกสำคัญในการตามล่านายปรีดี พนมยงค์ ในช่วงเหตุการณ์รัฐประหารในประเทศไทย พ.ศ. 2490 โดยพระองค์เป็นผู้แจ้งขอเครื่องบินเพื่อติดตามโจมตีปรีดีและคณะ ที่ได้หลบหนีไปทางน้ำ ซึ่งทางคณะรัฐประหารก็ได้จัดการให้ตามที่พระองค์ต้องการ จากนั้นพระองค์เจ้าเฉลิมพลทิฆัมพรพร้อมด้วย พ.ท.ละม้าย อุทยานานนท์ (ยศในขณะนั้น) จึงได้ขึ้นเครื่องบินของกองทัพอากาศจากดอนเมืองมุ่งตรงไปสมุทรปราการเพื่อติดตามโจมตีเรือลี้ภัยของปรีดีและคณะ และได้ทำการบินค้นหาตั้งแต่ปากน้ำลึกเข้ามาในลำน้ำเจ้าพระยา และบินกว้างออกไปทั่วปากอ่าวแล้วล้ำลึกออกไปในทะเล แต่ก็ไม่สามารถตรวจพบเรือของปรีดีได้ เพราะสภาพอากาศที่มืดคลุ้มไปทั่ว ประกอบกับลมที่พัดแรงอย่างผิดปกติ ทำให้ทัศนะวิสัยเลวลงจนเครื่องบินไม่สามารถปฏิบัติการค้นหาได้ จนสุดท้ายปรีดี พนมยงค์ สามารถหลบหนีออกไปจากประเทศไทยได้สำเร็จ[11]

ในปี พ.ศ. 2493 ในขณะดำรงพระยศพันโท ได้ทรงเข้าร่วมกรมผสมที่ 21 เพื่อไปเข้าร่วมรบกับกองกำลังสหประชาชาติในสงครามเกาหลี[12] ทรงปฏิบัติภารกิจที่แนวหน้าถึง 2 ปี และทรงได้รับพระราชทานเหรียญชัยสมรภูมิประดับเครื่องหมายเปลวระเบิด ในปี พ.ศ. 2495 ในฐานะผู้ได้รับความชมเชยจากทางราชการ[13] และนอกจากนี้ยังได้รับการทูลเกล้าถวายเหรียญ Bronze Star Medal จากปฏิบัติการร่วมรบสหประชาชาติ ณ ประเทศเกาหลี อีกด้วย

นอกจากนี้พลตรีพระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเฉลิมพลทิฆัมพร ยังได้รับพระมหากรุณาธิคุณจากพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวภูมิพลอดุลยเดช รัชกาลที่ 9 แต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งนายทหารพิเศษประจำกรมทหารม้าที่ 1 รักษาพระองค์ เมื่อวันที่ 18 กันยายน พ.ศ. 2498 [14]และได้รับพระราชทานพระยศพลตรี เมื่อวันที่ 26 ตุลาคม พ.ศ. 2531[15]