พระราชวรวงค์เธอ กรมหมื่นพิทยาลงกรณ์ ทรงเป็นพระโอรสในกรมพระราชวังบวรฯ บวรวิไชยชาญและจอมมารดาเลี่ยม (เล็ก) (กรมพระราชวังบรวฯ วิชัยชาญ เป็นพระราชโอรสพระองค์ใหญ่ ในพระบาทสมเด็จพระปิ่นเกล้าเจ้าอยู่หัว ผู้เป็นพระราชอนุชาธิราชแห่งพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ 4)

ทรงประสูติในพระบวรราชวัง เมื่อวันแรม 11 ค่ำ เดือนยี่ ปีชวด จุลศักราช 1238 ตรงกับวันพุธที่ 10 มกราคม พ.ศ. 2419 มีพระนามว่า พระองค์เจ้ารัชนีแจ่มจรัส (ตันสกุล "รัชนี") ทรงมีเจ้าพี่ร่วมจอมมารดาเดียวกันพระองค์หนึ่ง พระนามว่าพระองค์เจ้าหญิงภัททาวดีศรีราชธิดา พระชันษาแก่กว่าท่าน 5 ปี แต่สิ้นพระชนม์เสียเมื่อพระชันษา 28 ปี

เมื่อ พ.ศ. 2429 ได้เสด็จเข้าเป็นนักเรียนประจำ ณ โรงเรียนพระตำหนักสวนกุหลาบเสด็จกลับวังเฉพาะวันพระ ทรงเรียนอยู่เพียงปีเศษจกการันต์ คือ จบสูงสุดในประโยค 1 และในระหว่างนั้นทรงเรียนภาษาอังกฤษควบคู่ไปด้วย ทรงเรียนจบประโยค 2 เมื่อ พ.ศ. 2434 ทรงสอบไล่ได้เป็นที่ 1 ได้รับพระราชทานหีบหนังสือเป็นรางวัล จากนั้นได้เรียนภาษาอังกฤษต่อไปจนจบหลักสูตรการเรียนของโรงเรียนสวนกุหลาบ เมื่อทรงสำเร็จวิชาการโรงเรียนสวนกุหลาบแล้วพระชันษายังน้อยเกินกว่าที่จะรับราชการ จึงเสร็จเข้าเรียนภาษาอังกฤษต่อที่สำนักอื่นแห่งหนึ่ง จน พ.ศ. 2436 จึงได้เสด็จเข้ารับราชการในตำแหน่ง นายเวรกระทรวงธรรมการ ขณะพระชันษา 16 ปี 3 เดือน ทรงเลื่อนขึ้นเป็นผู้ช่วยในกรมศึกษาธิการใน พ.ศ. 2438 ทั้งได้ทรงรับหน้าที่พิเศษเป็นข้าหลวงสอบไล่วิชาหนังสือไทยและทรงเป็นกรรมการพิเศษร่างพระราชบัญญัติพิจารณาความแพ่งอีกหน้าที่หนึ่ง

ขณะที่ทรงรับราชการอยู่ในกระทรวงธรรมการ 2 ปี เศษนั้น ทรงสนพระทัยที่จะแสวงหาความรู้ทางภาษาอังกฤษเพิ่มเติมอยู่มิได้ขาด โดยทรงกระทำพระองค์สนิทชิดชอบกับที่ปรึกษากระทรวง และข้าราชการอื่นๆ ที่เป็นชาวอังกฤษ ทั้งในเวลาราชการและนอกเวลาราชการ อาทิ การไปเล่นกอล์ฟหรือฮ๊อคกี้ตามท้องสนามหลวง เสด็จไปเล่นเทนนิสตามบ้านฝรั่งหรือตามคลับ เป็นสมาชิกในคลับเรือใบซึ่งตั้งอยู่ถึงแถบชายทะเลจังหวัดสมุทรปราการ ซึ่งความพยายามเหล่านี้ล้วนเป็นเครื่องเพิ่มพูนความรู้ทางภาษาอังกฤษเป็นอย่างดี ดังนั้น พระองค์จึงทรงคุ้นกับขนบธรรมเนียมและตรัสภาษาอังกฤษได้อย่างคล่องแคล่ว

ด้วยเหตุนี้ จึงมีพระบรมราชโองการโปรดเกล้าฯ ให้ย้ายพระองค์เจ้ารัชนี มรเป็นผู้ช่วยที่ปรึกษากระทรวงพระคลังมหาสมบัติ เมื่อวันที่ 1 สิงหาคม 2439 ในที่สุดพระองค์ท่านก็กลายเป็นผู้ถูกอัธยาศัยอย่างมากกับที่ปรึกษากระทรวงพระคลังมหาสมบัติ ซึ่งเป็นชาวอังกฤษ จนที่ปรึกษาถึงกับทูลปรารภต่อเสนาบดีว่า "ควรส่งคนหนุ่มอย่างพระองค์ท่านไปศึกษาที่ประเทศอังกฤศเสียพักหนึ่ง ก็จะได้คนดีที่สามารถใช้ราชการในวันข้างหน้า" ในวันที่ 1 เมษายน พ.ศ. 2440 จึงทรงย้านมารับตำแหน่งเป็นล่ามที่กระทรวงพระคลังและได้ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ตามเสด็จพระราชดำเนินประพาสทวีปยุโรป เมื่อวันที่ 7 เมษายนปีนั้น และได้รับพระราชทานพระบรมราชานุญาตให้ทรงเล่าเรียนต่อในประเทศอังกฤษ

ผู้ดูแลนักเรียนหลวงจัดให้ท่านไปเรียนอยู่กับแฟมิลี่ คือครูของท่านซึ่งเป็นพระสำเร็จการศึกษาจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ทรงเรียนอยู่กับแฟมิลี่ได้เพียง 6 เดือน ก็ทรงสอบคอเลชออฟพรีเซ็บเตอร์ ภาค 1 ได้ และด้วยความวิริยะอุตสาหะและตั้งพระทัยอย่างแน่วแน่ ทำให้สามารถสอบเข้ามหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ได้ ระหว่างศึกษาทรงหาความรู้ใส่พระองค์ อย่างที่ทรงใช้คำว่า "บรรทุก" ทรงโปรดกีฬาจนเป็นพระนิสัย และทรงเล่นกีฬาอย่างเต็มที่ทำให้พระองค์ทรงกว้างขวางในสังคมมหาวิทยาลัยแต่ทรงศึกษาได้เพียง 3 เทอม ก็ถูกเรียกตัวกลับประเทศ

วันที่ 15 มกราคม พ.ศ. 2442 เสด็จเข้ารับราชการในตำแหน่งผู้ช่วยกรมตรวจและกรมสารบัญชี กระทรวงพระคลังมหาสมบัติ และในวันที่ 1 เมษายน พ.ศ. 2444 ได้ทรงย้ายไปดำรงตำแหน่งปลัดกรมธนบัตร ซึ่งเป็นเวลาที่กระทรวงพระคลังมหาสมบัติเริ่มที่จะจัดพิมพ์ธนบัตรออกใช้แทนเหรียญตรากระษาใณ์เป็นครั้งแรก พระองค์เจ้ารัชนีจึงได้รับมอบหมายให้จัดตั้งระเบียบราชการกรมใหม่นั้น ได้ทรงเป็นแม่กองปรึกษาในการคิดแบบลวดลายและสีของธนบัตรแต่ละชนิด ทรงมีส่วนในการตราพระราชบัญญัติเงินตรา วางกฎเสนาบดีในการควบคุมธนบัตร และทรงวางหลักการบัญชีด้วย ธนบัตรที่จัดทำขึ้นครั้งนั้นมีอัตราใบละ 1,000 บาท 100 บาท 20 บาท 5 บาท ส่วนอัตรา 1 บาทยังคงใช้เหรียญตรากระษาใณ์อย่างเดิม และได้นำธนบัตรออกจำหน่ายเป็นปฐมฤกษ์เมื่อวันเปิดกรมธนบัตรหลังจากนั้นได้ทรงเลื่อนตำแหน่งขึ้นเป็นผู้แทนเจ้ากรมธนบัตรเมื่อวันที่ 1 เมษายน พ.ศ. 2446 และทรงย้ายไปเป็นเจ้ากรมกองที่ปรึกษาอีกครั้งหนึ่ง เมื่อวันที่ 1 กันยายน พ.ศ. 2446 เสด็จอยู่ในตำแหน่งได้ 14 เดือน ก็ต้องทรงย้ายไปรับราชการในตำแหน่งอธิบดีกรมกระษาปณ์สิทธิการ

จนกระทั่ง1 เมษายน พ.ศ. 2451 ได้ทรงเลื่อนขั้นเป็นอธิบดีกรมตรวจแลกรมสารบัญชี ซึ่งเป็นกรมใหญ่และสำคัญกรมหนึ่งในกระทรวงพระคลังมหาสมบัติ (ภายหลังกรมตรวจแลกรมสารบัญชีเปลี่ยนชื่อเป็นกรมบัญชีกลาง) ทรงดำรงตำแหน่งจนสิ้นรัชกาลที่ 5 รวมเวลาที่พระองค์เจ้ารัชนีแจ่มจรัสทรงรับราชการในรัชกาลที่ 5 เป็นเวลา 17 ปี จนมีพระชันษาได้ 33 ปี

พ.ศ. 2454 พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ตั้งให้เป็นองคมนตรี ได้ทรงรับพระราชทานสัญญาบัติองคมนตรีเป็นลำดับที่ 19 ในองคมนตรีทั้งสิ้นรวม 233 ท่าน

พ.ศ. 2456 ได้รับพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้เฉลิมพระยศเป็นพระองค์เจ้าต่างกรมมีพระนามจาฤกในพระสุพรรณบัฎว่า พระราชวรวงค์เธอกรมหมื่นพิทยาลงกรณ์ ทรงศักดินา 11,000 ไร่ ตามพระราชกำหนดอย่างพระองค์เจ้าต่างกรมในพระราชวังบวร

ในวันที่ 1 กันยายน พ.ศ. 2458 ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ยกกรมสถิติพยากรณ์ ขึ้นเป็นกรมบัญชาการชั้นมีอธิบดีเป็นหัวหน้า อยู่ในสังกัดกระทรวงพระคลังมหาสมบัติ มีชื่อว่า "กรมพาณิชย์และสถิติพยากรณ์" จึงทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้พระราชวรวงศ์เธอกรมหมื่นพิทยาลงกรณ์ เป็นอธิบดี พระองค์ได้ทรงริเริ่มจัดงานสำคัญขึ้นแผนกหนึ่ง ด้วยทรงคำนึงว่าชาวนาเป็นส่วนหนึ่งของการพาณิชย์ เพราะข้าวเป็นสินค้าสำคัญของประเทศ แต่ขณะเดียวกันชาวนากลังมีหนี้สินมาก ทำนาได้ข้าวเท่าใดก็ต้องขายใช้หนี้เกือบหมด แต่หนี้สินก็ยิ่งพอกพูน จากการหาแนวทางต่างๆ เพื่อทำการช่วยเหลือ ผลโดยสรุปเห็นว่าวิธีการที่จะช่วยเหลือชาวนาให้พ้นจากอุปสรรคดังกล่าวได้ ต้องดำเนินการโดยใช้วิธีจัดตั้งสหกรณ์

กรมพาณิชย์และสถิติพยากรณ์ ได้ขยายงานกว้างขวางไปหลายแผนกและมีพระบรมราชโองการโปรดเกล้า ประกาศแต่งตั้งกรมพาณิชย์และสถิติพยากรณ์ ขึ้นเป็นกระทรวงพาณิชย์ เมื่อวันที่ 20 สิงหาคม พ.ศ. 2463 ให้อยู่ในความคบคุมของสภาเผยแพร่พาณิชย์ และได้ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ แต่งตั้งให้ พระราชวรวงศ์เธอ กรมหมื่นพิทยาลงกรณ เป็นอุปนายกแห่งสภานั้น จนกระทั้ง พ.ศ. 2464 ได้มีพระบรมราชโองการโปรดเกล้าฯ ตั้งให้พระราชวรวงศ์เธอกรมหมื่นพิทยาลงกรณ์เป็นรองเสนาบดีกระทรวงพาณิชย์ (ทรงมีตำแหน่งในที่ประชุมเสนาบดีสภาตั้งแต่ พ.ศ. 2463 จนถึงเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2468 อันเป็นการประชุมเสนาบดีครั้งสุดท้ายในรัชกาลที่ 6)

เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงการปกครอง พ.ศ. 2475 สมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมพระยาดำรงราชานุภาพ สภานายกแห่งราชบัณฑิตสภาเสด็จแปรพระสถานจากกรุงเทฯ ไปประทับแรมเป็นประจำอยู่ที่หัวหิน จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ พระราชวรวงศ์เธอกรมหมื่นพิทยาลงกรณ ผู้แทนเป็นอุปนายกแผนกวรรณคดีแห่งราชบัณฑิตยสภา จึงทรงเป็นสภานายกแทน ได้ทรงปฏิบัติราชการทุกแผนกในราชบัณฑิต ดำเนินรายตามระเบียบเดิม ซึ่งสภานายกพระองค์ก่อนทรงจัดไว้โดยตลอด

จนกระทั่ง พ.ศ. 2476 เมื่อคราวที่จัดระเบียบงานขึ้นใหม่ ได้เปลี่ยนนามราชบัณฑิตสภาเป็น "ราชบัณฑิตยสถาน" กรมหมื่นพิทยาลงกรณ จึงได้กราบถวายบังคมลาออกทรงรับพระราชทานบำนาญ

พระราชวรวงศ์เธอ กรมหมื่นพิทยาลงกรณ์ ได้ทรงนิพนธ์งานเขียนไว้มากมายทั้งร้อยแก้วและร้อยกรอง ทรงใช้นามปากกาว่า "น.ม.ส." ซึ่งมาจากพระนามเดิมของพระองค์นั่นเอง โดยทรงหยิบเอาอักษรตัวท้ายของพระนามแต่ละคำที่ผสมกันอยู่ออกมาเป็นคำย่อ (รัชนีแจ่มจรัส) ผงงานนิพนธ์ของพระองค์ท่าน เช่น เรื่องของนักเรียนเมืองอังกฤษ สงครามรัสเซียกับญี่ปุ่น สืบราชสมบัติ พระนลคำฉันท์ ตลาดเงินตรา นิทานเวตาล กนกนคร กาพย์ เห่เรือ ฉันท์สดุดีสังเวยสมโภชพระมหาเศวตฉัตร ความนึกในฤดูหนาว และสามกรุง ฯลฯ

ทรงออกหนังสือรายสัปดาห์ "ประมวญมารค" และทรงตั้งโรงพิมพ์ประมวญมารคขึ้นที่วัง ถนนประมวญ ต่อมาโรงพิมพ์ถึงการอวสานด้วยภัยสงครามถูกทิ้งระเบิด เมื่อวันที่ 23 ธันวาคม 2486

พระราชวรวงศ์เธอ กรมหมื่นพิทยาลงกรณ์ ทรงกระทำพิธีอาวาหะกับคุณพัฒน์ (บุนนาค) บุตรีเจ้าพระยาภาศกรวงศ์ และท่านผู้หญิงเปลี่ยน เมื่อ พ.ศ. 2444 ทรงมีพระโอรสธิดา คือ
1. หม่อมเจ้า (ชาย) จันทร์จิรายุวัฒน์ รัชนี
2. หม่อมเจ้า (ชาย) รัชนีพัฒน์ รัชนี
3. นางศะศิธร บุนนาค
4. หม่อมเจ้า (ชาย) จันทร์พัฒน์ รัชนี

พ.ศ. 2462 ทรงเสกสมรสกับหม่อมเจ้าหญิงพรพิมลพรรณ (วรวรรณ) ในพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมพระนราธิปประพันธ์พงศ์ ทรงมีพระธิดา และโอรส คือ
1. หม่อมเจ้าวิภาวดีรังสิต
2. หม่อมเจ้าภีศเดช รัชนี

พระราชวรวงศ์เธอ กรมหมื่นพิทยาลงกรณ์ ทรงสิ้นพระชนฆ์ ด้วยความสงบ ประดุจบรรทมหลับ ด้วยพระโรคหลอดโลหิตในสมองตัน เมื่อวันจันทร์ที่ 23 กรกฎาคม พ.ศ. 2488 เวลา 15.30 นาฬิกา สิริพระชนมายุ 68 ปี 6 เดือน 13 วัน