หม่อมเจ้าชาตรีเฉลิม เสกสมรสกับหม่อมศริยา ยุคล ณ อยุธยา (บุษปวณิช) พระสหายนักศึกษาไทยที่พบกัน ณ มหาวิทยาลัยยูซีแอลเอ เมื่อเดือนธันวาคม พ.ศ. 2505 ประเทศสหรัฐอเมริกา[1][3] มีโอรส - ธิดา 2 คน คือ

• หม่อมราชวงศ์ปัทมนัดดา ยุคล (คุณหญิงนุ้ย)
• หม่อมราชวงศ์เดชาเฉลิม ยุคล (คุณชายเมี่ยง)

ต่อมาเสกสมรสกับวิยะดา อุมารินทร์ (ตรียะกุล) นักแสดง มีโอรส 1 คน คือ

• หม่อมราชวงศ์มงคลชาย ยุคล (คุณชายเอี่ยว)

ต่อมาเสกสมรสกับ หม่อมภรณี ยุคล ณ อยุธยา (เจตสมมา) มีธิดา 1 คน คือ

• หม่อมราชวงศ์สุทธิภาณี ยุคล (คุณหญิงนุ่น)

ต่อมาเสกสมรสกับหม่อมกมลา ยุคล ณ อยุธยา (เศรษฐี) อดีตนักแสดง มีโอรส - ธิดา 2 คน คือ

หม่อมเจ้าชาตรีเฉลิม ยุคล ขณะร่วมงานแถลงข่าวกรณีรัฐบาลสนับสนุนการสร้างภายนตร์ตำนานสมเด็จพระนเรศวรมหาราช ภาค 3 และ 4 "สงครามยุทธหัตถี" ณ ศูนย์วัฒนธรรมแห่งประเทศไทย 8สิงหาคม2552 (The Official Site of The Prime Minister of Thailand Photo by พีรพัฒน์ วิมลรังครัตน์)

• หม่อมราชวงศ์เฉลิมชาตรี ยุคล (คุณชายอดัม)
• หม่อมราชวงศ์ศรีคำรุ้ง ยุคล (คุณหญิงแมงมุม) สมรส พลตรี พัชร รัตตกุล