5 ตุลาคม พ.ศ. 2556 ร.ต.อ.เฉลิม เข้ารับการผ่าตัดอาการสมองบวม เนื่องจากเลือดออกใต้เยื่อหุ้มสมอง

หลังจากนั้นก็มีกระแสข่าวลือสะพัดว่า ร.ต.อ.เฉลิมได้เสียชีวิตลงแล้วด้วยอาการสมองบวม แต่ที่จริง การผ่าตัดรักษาอาการป่วยของ ร.ต.อ.เฉลิม สำเร็จด้วยดี จนกระทั่ง ร.ต.อ.เฉลิม สามารถออกจากโรงพยาบาลได้ในเวลา 14.00 น. ของวันที่ 10 ตุลาคม[42] และจากการตรวจสอบข้อมูล ยังพบอีกว่า ร.ต.อ.เฉลิมพักรักษาตัวอยู่ที่โรงพยาบาลรามาธิบดี ไม่ใช่ โรงพยาบาลพระมงกุฏฯ

ร.ต.อ.เฉลิม พร้อมกับลูกชายคนเล็ก ร.ต.อ.ดวง ได้ออกมาจากโรงพยาบาลพร้อมกัน ด้วยสีหน้าท่าทางยิ้มแยมแจ่มใส ให้สัมภาษณ์กับสื่อมวลชน "ผมมีเลือดไหลในสมอง 2 ข้าง แต่เลือดไม่ไหลเข้าไปในสมองส่วนที่สำคัญ หมอจึงใช้เครื่องมือเจาะเอาเลือดออก ใช้เวลาแค่ 2 ชั่วโมงเท่านั้น"[43] ต่อมาเขาเกิดอาการซ็อกในขณะประชุมร่วมกับคณะทำงานฯ ในวันที่ 21 ตุลาคมของปีเดียว จนต้องนำตัวส่งโรงพยาบาลรามาธิบดี[44]

ต่อมาวันที่ 21 ตุลาคม พ.ศ. 2556 เวลาประมาณ 13.45 นาฬิกา ร.ต.อ.เฉลิม อยู่บำรุง เกิดอาการทรุดลงหลังกลับมาทำงานที่กระทรวงแรงงานได้ 1 สัปดาห์ จากการผ่าตัดอาการเลือดออกใต้เหยื่อหุ้มสมอง ในระหว่างหารือ กับ พลตำรวจเอกพงสพัศ พงเจริญ รองผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติ ถึงการจัดประชุมแนวทางป้องกันและปราบปรามยาเสพติด ที่ห้องทำงานชั้น 6 โดยมีอาการตัวเกร็ง พร้อมนั่งนิ่งไป จนเกือบฟุบลงจากเก้าอี้ ส่งผลให้ทีมงานต้องตัดสินใจ นำตัวร.ต.อ.เฉลิม ส่งโรงพยาบาลรามาธิบดี ทั้งที่ยังนั่งอยู่บนเก้าอี้[45]