เฉลิมชัย ถูกจับกุมตัวจากเหตุการณ์ที่นายปรีณะ ลีพัฒนะพันธ์ ผู้ว่าราชการจังหวัดยโสธร ถูกฆาตกรรมที่โรงแรมรอยัลแปซิฟิก ถนนพระราม 9 แขวงห้วยขวาง เขตห้วยขวาง กรุงเทพมหานคร เมื่อวันที่ 4 มีนาคม พ.ศ. 2544 โดยมีชนวนเหตุมาจากการทุจริตโครงการก่อสร้างบ่อบำบัดน้ำเสีย ซึ่งเชื่อมโยงมาถึงเขา

ต่อมาศาลชั้นต้นพิพากษาให้ประหารชีวิต เฉลิมชัย ฐานร่วมกันฆ่าผู้อื่น และศาลอุทธรณ์เห็นตามศาลชั้นต้น กระทั่งในปี พ.ศ. 2549 ศาลฎีกามีคำพิพากษาเป็นที่สิ้นสุด ยืนตามศาลอุทธรณ์ ให้ประหารชีวิต

ในปี พ.ศ. 2550 เขาได้รับพระราชทานอภัยโทษลดวันต้องโทษ ได้ลดโทษจากโทษประหารชีวิตเป็นจำคุกตลอดชีวิต ในปี พ.ศ. 2553 ได้รับพระราชทานอภัยโทษลดวันต้องโทษอีกครั้ง จากจำคุกตลอดชีวิต เหลือจำคุก 50 ปี และในปี พ.ศ. 2554 ได้รับพระราชทานอภัยโทษลดวันต้องโทษเช่นเดียวกัน จากจำคุก 50 ปี ได้ลดวันต้องโทษ 13 ปี[1] และได้รับการพักโทษเมื่อวันที่ 30 กันยายน พ.ศ. 2558

ต่อมาในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2559 เขาถูกตำรวจจับกุมตัวอีกครั้งหลังจากกระทำผิดเงื่อนไขการพักโทษ[2]