ประสูติเมื่อวันที่ 24 ตุลาคม พ.ศ. 2493[1] เป็นพระโอรสใน พลตรีพระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าเฉลิมพลทิฆัมพร กับหม่อมทองแถม ยุคล ณ อยุธยา (สกุลเดิม ประยูรโต) เป็นพระนัดดาในสมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ เจ้าฟ้ายุคลทิฆัมพร กรมหลวงลพบุรีราเมศวร์ และเป็นพระราชปนัดดาในพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว

พลเอกหม่อมเจ้าเฉลิมศึก ยุคล มีพระโสทรเชษฐภคินีสององค์ คือ ท่านหญิงศรีสว่างวงศ์ บุญจิตราดุลย์ และหม่อมเจ้าหญิงยังไม่มีพระนาม (สิ้นชีพิตักษัยเมื่อชันษาหนึ่งวัน)