ในบั้นปลายพระชนม์ชีพ พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเฉลิมเขตรมงคล ประชวรและไม่สามารถเสด็จออกงานพระราชพิธีต่าง ๆ ได้ โดยได้ย้ายไปประทับที่วังมังคละ และหมดพระกำลัง สิ้นพระชนม์ลงด้วยโรคพระวักกะพิการเมื่อวันที่ 23 มกราคม พ.ศ. 2500 สิริพระชันษา 65 ปี[10] พระนามของพระองค์ ถูกนำมาใช้เป็นชื่อของ โรงภาพยนตร์ศาลาเฉลิมเขตร์