ตอนพลเอกเลิมพลรับราชการช่วงแรกๆ พลเอกเฉลิมพลได้ยศร้อยตรีในปี 2528 และได้รับตำแหน่ง ผู้บังคับหมวด กองร้อยลาดตระเวน กองพันทหารม้าที่ 22 และพลเอกเฉลิมพลเคยได้รับตำแหน่งผู้บังคับการทหารม้า,ผู้บังคับการกองร้อยลาดตระเวนและนายทหารยุทธการและการฝึกในขณะที่ได้ยศร้อยโทและร้อยเอก ตอนที่พลเอกเฉลิมพลได้ยศพันตรีในปี 2541 พลเอกเฉลิมพลได้รับตำแหน่งฝ่ายอำนวยการที่ 3 กองพันทหารม้าที่ 27,อาจารย์ประจำโรงเรียนเสนาธิการทหารบก,ผู้ช่วยหัวหน้าฝ่ายข่าวกรอง ฝ่ายอากาศ ฝ่ายยุทธการ กองพลทหารม้าที่ 2 และรองผู้บังคับการ กองพันทหารม้าที่ 1 รักษาพระองค์ ตอนที่พลเอกเฉลิมพลได้ยศพันโทในปี 2547 พลเอกเฉลิมพลได้รับตำแหน่ง หัวหน้าฝ่ายยุทธการ กองพลทหารม้าที่ 2,ผู้บังคับการ กองพันทหารม้าที่ 25 รักษาพระองค์,หัวหน้ากอง กรมยุทธการทหารบก (พลเอกเฉลิมพลเริ่มดำรงตำแหน่งในกรมยุทธการทหารบกในปี พ.ศ.2546 ซึ่งตำแหน่งนั้นก็คือหัวหน้ากอง) และในปี 2547 พลเอกเฉลิมพลได้ยศพันเอกและได้รับตำแหน่งฝ่ายเสนาธิการ ประจำ กรมยุทธการทหารบก,นายทหารปฏิบัติการประจำ กรมยุทธการทหารบก,ผู้อำนวยการกอง กรมยุทธการทหารบก,เสนาธิการกองพลทหารม้าที่ 2 รักษาพระองค์, รองผู้บัญชาการกองพลทหารม้าที่ 2 รักษาพระองค์ และในปี 2558 พลเอกเฉลิมพลได้รับแต่งตั้งเป็นนายพลและได้ยศพลตรีดำรงตำแหน่งผู้บัญชาการกองพลทหารม้าที่ 2 รักษาพระองค์ และในปี 2560 พลเอกเฉลิมพลได้ยศพลโทและได้ดำรงตำแหน่งเป็นเจ้ากรมยุทธการทหารบกและในปี 2561 ก็ได้ย้ายไปเป็นรองเสนาธิการทหารบกและตอนกลางปี 2562 พลเอกเฉลิมพลได้จากรองเสนาธิการทหารบกไปเป็นผู้ทรงคุณวุฒิพิเศษกองทัพบกและได้รับยศเป็นพลเอก ที่ย้ายจากรองเสนาธิการทหารบกไปเป็นผู้ทรงคุณวุฒินั้นเพื่อที่จะได้รับแต่งตั้งเป็นเสนาธิการทหารใน ตุลาคม 2562 จนกระทั่งในปี 2563 มีพระบรมราชโอการโปรดเกล้าโปรดกระม่อมให้พลเอกเฉลิมพลได้รับตำแหน่งเป็นผู้บัญชาการทหารสูงสุดคนที่ 35 ของไทย อีกทั้งพลเอกเฉลิมพลยังได้รับราชการพิเศษด้วยเช่นราชองครักษ์เวร,ตุลาการศาลทหารกรุงเทพ,นายทหารพิเศษประจำหน่วย กองพันทหารม้าที่ 27 รักษาพระองค์ และในปี 2563 พลเอกเฉลิมพล ผู้บัญชาการทหารสูงสุด ได้รับแต่งตั้งให้เป็นหัวหน้าศูนย์ปฏิบัติการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉินด้านความมั่นคง เนื่องจากสถานการณ์การแพร่ระบาดของโรคโควิด-19