หลังจากสำเร็จการศึกษา หม่อมเจ้าทองคำเปลวทรงเข้ารับราชการที่กระทรวงมหาดไทย และทรงดำรงตำแหน่งนายอำเภอและผู้ว่าราชการจังหวัดหลายจังหวัดด้วยกัน ประกอบไปด้วย นายอำเภอภูเขียว จังหวัดชัยภูมิ นายอำเภอเบตง จังหวัดยะลา และดำรงตำแหน่งผู้ว่าราชการจังหวัด ได้แก่ ผู้ว่าราชการจังหวัดจันทบุรี (13 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2501 - 28 กันยายน พ.ศ. 2507) และผู้ว่าราชการจังหวัดสงขลา ( 1 ตุลาคม พ.ศ. 2507 - 30 กันยายน พ.ศ. 2515) เป็นต้น

นอกจากนี้หม่อมเจ้าทองคำเปลวยังทรงดำรงตำแหน่งเป็นคณะกรรมการแรกเริ่มก่อตั้งมูลนิธิเฉลิมพระเกียรติพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ในตำแหน่งคณะกรรมการที่ปรึกษา จนกระทั่งถึงชีพิตักษัยเมื่อวันที่ 23 กรกฎาคม พ.ศ. 2553

หม่อมเจ้าทองคำเปลว ทองใหญ่ เสกสมรสกับ หม่อมอรพินท์ ทองใหญ่ ณ อยุธยา มีโอรสธิดา 3 คน คือ

• ม.ร.ว.ชาลี ทองใหญ่ สมรสกับอรณี (สกุลเดิม สายบัว) มีธิดา 2 คน คือ
  • ม.ล.อรอำไพ พนานุรัตน์ สมรสกับประกิต พนานุรัตน์
  • ม.ล.อณิชาล เพ็ญเจริญ สมรสกับภัทรภูมิ เพ็ญเจริญ
• ม.ร.ว.กัณหา ทองใหญ่ มีธิดา 3 คน
• ม.ร.ว.พิณทอง ทองใหญ่ มีบุตรธิดา 2 คน

หม่อมเจ้าทองคำเปลว ทองใหญ่ ได้รับพระราชทานพระยศกองอาสารักษาดินแดน เป็นนายกองโท ขณะทรงดำรงตำแหน่งนายอำเภอเบตง จังหวัดยะลา เมื่อวันที่ 10 มิถุนายน พ.ศ. 2500[4] และได้รับพระราชทานยศ นายกองเอก เมื่อวันที่ 26 มีนาคม 2506[5]

ในขณะที่ทรงดำรงตำแหน่งผู้ว่าราชการจังหวัดสงขลา หม่อมเจ้าทองคำเปลว ทองใหญ่ ได้รับพระมหากรุณาธิคุณจากพระบาทสมเด็จพระมหาภูมิพลอดุลยเดชมหาราช บรมนาถบพิตร พระราชทานพระสมเด็จจิตรลดา และทรงนำติดองค์ตลอดมา

หม่อมเจ้าทองคำเปลว ทองใหญ่ สิ้นชีพิตักษัยเมื่อวันที่ 23 กรกฎาคม พ.ศ. 2553 สิริชันษา 98 ปี บำเพ็ญกุศลศพที่ศาลา 10 วัดมกุฏกษัตริยารามราชวรวิหาร นับเป็นหม่อมเจ้าองค์สุดท้ายของราชสกุลทองใหญ่