เจ้าพรหมเทวานุเคราะห์วงศ์ทรงสืบเชื้อสายราชตระกูลมาจากราชวงศ์เวียงจันทน์อันเก่าแก่ พระองค์เป็นพระโอรสในเจ้าเสือกับเจ้านางท่อนแก้ว เจ้าเสือผู้เป็นพระบิดานั้นเป็นพระราชโอรสในเจ้าอนุวงศ์ พระมหากษัตริย์แห่งนครเวียงจันทน์พระองค์สุดท้าย ดังนั้น เจ้าพรหมเทวานุเคราะห์วงศ์จึงมีศักดิ์เป็นพระราชนัดดา (หลานปู่) ในสมเด็จพระเจ้าไชยเชษฐาธิราชที่ ๕ และเป็นพระราชปนัดดา (เหลนทวด) ในสมเด็จพระเจ้าไชยเชษฐาธิราชที่ ๓ (สมเด็จพระเจ้าสิริบุญสาร) ฝ่ายพระมารดาคือเจ้านางท่อนแก้วนั้นเป็นพระธิดาในสมเด็จเจ้ามหาอุปฮาต (ติสสะ) ผู้เป็นอุปราชนครหลวงเวียงจันทน์ในสมัยสงครามกู้เอกราชของสมเด็จพระเจ้าไชยเชษฐาธิราชที่ ๕ และสมเด็จเจ้ามหาอุปฮาต (ติสสะ) ยังเป็นพระราชอนุชาต่างพระมารดากับสมเด็จพระเจ้าไชยเชษฐาธิราชที่ ๕ ดังนั้น เจ้าพรหมเทวานุเคราะห์วงศ์จึงมีศักดิ์เป็นพระราชนัดดา (หลานตา) ในสมเด็จเจ้ามหาอุปฮาต (ติสสะ) อีกด้วย

เจ้าพรหมเทวานุเคราะห์วงศ์มีพระญาติใกล้ชิดเป็นพระขนิษฐภคินี (น้องสาว) คือเจ้าหญิงหนูมั่น ซึ่งต่อมาได้รับการสถาปนาเป็นเจ้าจอมมารดาในพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว (รัชกาลที่ ๔) โดยได้รับพระราชทานพระนามใหม่ว่า เจ้าจอมมารดาดวงคำ เจ้าหญิงหนูมั่นเป็นพระธิดาในเจ้าคลี่กับเจ้านางท่อนแก้ว เจ้าคลี่เป็นพระราชโอรสในเจ้าอนุวงศ์ เจ้าคลี่จึงมีศักดิ์เป็นพี่น้องกับเจ้าเสือผู้เป็นพระบิดาในเจ้าพรหมเทวานุเคราะห์วงศ์ ฝ่ายเจ้านางท่อนแก้วนั้นเป็นพระธิดาในสมเด็จเจ้ามหาอุปฮาต (ติสสะ) ดังนั้น เจ้าพรหมเทวานุเคราะห์วงศ์และเจ้าจอมมารดาเจ้าหญิงดวงคำ จึงเป็นพี่น้องร่วมพระมารดาแต่ต่างพระบิดากัน นอกจากนี้ เจ้าพรหมเทวานุเคราะห์วงศ์ยังมีศักดิ์เป็นลุงของ พระเจ้าบรมวงศ์เธอ พระองค์เจ้านารีรัตนา และ พระเจ้าบรมวงศ์เธอ พระองค์เจ้าประดิษฐาสารี พระราชธิดาในพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว (รัชกาลที่ ๔) กับเจ้าจอมมารดาดวงคำ และเจ้าพรหมเทวานุเคราะห์วงศ์ยังมีศักดิ์เป็นหลานลุงในสมเด็จเจ้าราชบุตร (โย่) พระเจ้านครจำปาศักดิ์ ผู้เป็นพระเชษฐาของเจ้าเสือพระบิดาในเจ้าพรหมเทวานุเคราะห์วงศ์