หม่อมเจ้าชาตรีเฉลิม (ท่านชายมุ้ย) ประสูติเมื่อวันที่ 29 พฤศจิกายน พ.ศ. 2485 เป็นพระโอรสในพระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าอนุสรมงคลการ กับหม่อมอุบล ยุคล ณ อยุธยา (สุฤทธิ์) เป็นพระนัดดาในสมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ เจ้าฟ้ายุคลทิฆัมพร กรมหลวงลพบุรีราเมศวร์ และเป็นพระราชปนัดดาในพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว

หม่อมเจ้าชาตรีเฉลิม มีเจ้าพี่เจ้าน้องร่วมหม่อมมารดาสี่องค์ ได้แก่

• มาลินีมงคล อมาตยกุล (ท่านหญิงหยอย; 24 มิถุนายน พ.ศ. 2483)
• ปัทมนรังษี เสนาณรงค์ (ท่านหญิงเม้า; 12 สิงหาคม พ.ศ. 2484)
• หม่อมเจ้าจุลเจิม ยุคล (ท่านชายใหม่; 22 มกราคม พ.ศ. 2490)
• หม่อมเจ้านภดลเฉลิมศรี ยุคล (ท่านหญิงยุ้ย; 23 ตุลาคม พ.ศ. 2496)

ท่านทรงคุ้นเคยกับการสร้างภาพยนตร์ตั้งแต่เยาว์ เนื่องจากตามเสด็จพระบิดา และมารดา ผู้บุกเบิกภาพยนตร์ไทย และก่อตั้งบริษัทละโว้ภาพยนตร์ ซึ่งผลิตภาพยนตร์เรื่องแรกเมื่อ พ.ศ. 2481

หม่อมเจ้าชาตรีเฉลิม ศึกษาชั้นมัธยมที่วชิราวุธวิทยาลัยและโรงเรียนมัธยมที่โรงเรียนจีลอง แกรมม่า สคูล เมืองเมลเบิร์น ออสเตรเลีย ทรงสำเร็จการศึกษาจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแอนเจลิส วิชาเอกสาขาธรณีวิทยา และวิชาโท สาขาภาพยนตร์ เป็นเพื่อนร่วมห้องเรียนกับฟรานซิส ฟอร์ด คอปโปลา และโรมัน โปลันสกี้ ในระหว่างศึกษาชั้นปริญญาตรีทรงฝึกงานเป็นผู้ช่วยในทีมงานของ มีเรียน ซี. คูเปอร์ [1] ผู้กำกับ และผู้อำนวยการสร้างภาพยนตร์เรื่อง ช้าง (1927) และ คิงคอง (1933)

เริ่มนิพนธ์บท และกำกับละครโทรทัศน์ เรื่อง "ผู้หญิงก็มีหัวใจ" ในปี พ.ศ. 2511 ถวายพระบิดา จากนั้นทรงก่อตั้งบริษัท พร้อมมิตรภาพยนตร์ (จากชื่อซอยพร้อมมิตร ถนนสุขุมวิท ที่ตั้งของวังละโว้และโรงถ่ายละโว้ภาพยนตร์ของพระบิดา) มีผลงานกำกับละครโทรทัศน์ "ห้องสีชมพู" (2512) , "เงือกน้อย" (2515) , และ"หมอผี" (2516)

ทรงกำกับภาพยนตร์ "มันมากับความมืด" เป็นเรื่องแรก เมื่อ พ.ศ. 2514 และ ทรงได้รับรางวัลผู้กำกับภาพยนตร์ดีเด่น พ.ศ. 2516 จากเรื่องเขาชื่อกานต์ และส่งให้สรพงศ์ ชาตรี เป็นพระเอกยอดนิยมต่อมา

หม่อมเจ้าชาตรีเฉลิม โปรดการดำน้ำ ทรงใช้เวลาว่างในการดำน้ำตั้งแต่ยังทรงพระเยาว์ ทั้งในประเทศไทย และระหว่างทรงศึกษาชั้นมัธยมที่ออสเตรเลีย และศึกษาธรณีวิทยาที่สหรัฐอเมริกา โดยทรงอธิบายถึงสาเหตุที่เลือกเรียนวิชาธรณีวิทยา สืบเนื่องจากความประทับใจในธรรมชาติ อันเนื่องมาจากการดำน้ำ ทรงนิพนธ์หนังสือบอกเล่าประสบการณ์ในการดำน้ำ ชื่อ โลกสีคราม ได้รับเลือกเป็น 1 ใน 88 เล่มหนังสือดี ประเภทสารคดี ของโครงการวิจัย หนังสือดีวิทยาศาสตร์ จากสำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) [1]

ด้านสุขภาพ หม่อมเจ้าชาตรีเฉลิม ทรงมีโรคประจำองค์ คือ เบาหวาน, โรคหัวใจ และโรคมะเร็ง

เมื่อวันที่ 16 ธันวาคม พ.ศ. 2550 มหาวิทยาลัยรังสิตได้ถวายปริญญาดุษฎีบัณฑิตกิตติมศักดิ์ สาขาวิชาผู้นำทางสังคม ธุรกิจ การเมือง แด่ หม่อมเจ้าชาตรีเฉลิม ยุคล โดยได้รับปริญญานี้พร้อมกับ หม่อมหลวงไกรฤกษ์ เกษมสันต์ ตุลาการรัฐธรรมนูญ และ นายสนธิ ลิ้มทองกุล สื่อมวลชนผู้ก่อตั้งหนังสือพิมพ์ผู้จัดการ

เมื่อวันที่ 13 กันยายน พ.ศ. 2559 ราชกิจจานุเบกษาได้เผยแพร่ประกาศคำสั่งศาลล้มละลายกลาง ให้หม่อมเจ้าชาตรีเฉลิมเป็นบุคคลล้มละลาย[2]