ขณะที่ทรงศึกษาอยู่ ณ ประเทศอังกฤษ ใน พ.ศ. ๒๔๓๐  สมเด็จพระราชินีนาถวิค-ตอเรียแห่งอังกฤษ ทรงจัดงานพระราชพิธีเนื่องในวโรกาสที่ทรงครองสิริราชสมบัติครบ ๕๐ ปี พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้สมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมพระยาเทวะวงศ์วโรปการ เสนาบดีกระทรวงการต่างประเทศเสด็จพระราชดำเนินแทนพระองค์ เมื่อเสร็จราชการที่อังกฤษแล้ว ได้เสด็จประเทศฝรั่งเศส เยอรมัน และสวีเดน และทรงพาพระเจ้าลูกยาเธอทั้ง ๔ พระองค์โดยเสด็จเพื่อทอดพระเนตรบ้านเมืองเหล่านั้นด้วย และเมื่อเสด็จกลับกรุงเทพฯ พระเจ้าลูกยาเธอทั้ง ๔ พระองค์ก็ได้โดยเสด็จนิวัติพระนครด้วย เมื่อเสด็จไปทรงศึกษาต่อที่กรุงลอนดอนจนกระทั่งทรงสำเร็จการศึกษาชั้นมัธยมแล้ว สมเด็จพระบรมชนกนาถทรงเลือกให้กรมหลวงราชบุรีดิเรกฤทธิ์ กรมหลวงปราจิณกิติบดี และกรมพระจันทบุรีนฤนาถทรงศึกษาวิชาพลเรือน ส่วนกรมหลวงนครไชยศรีสุรเดชทรงกำหนดให้ศึกษาวิชาทหาร กรมหลวงราชบุรีดิเรกฤทธิ์ทรงเลือกศึกษาวิชากฎหมายในวิทยาลัยไครสต์เชิส มหาวิทยาลัยออกซฟอร์ด และทรงสำเร็จการศึกษาตามหลักสูตรปริญญาตรี (B.A.) แล้วเสด็จกลับประเทศไทย

         ใน พ.ศ. ๒๔๓๙ พระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหลวงพิชิตปรีชากรเสนาบดีกระทรวงยุติธรรม กราบถวายบังคมลาออกจากตำแหน่ง พระเจ้าน้องยาเธอ กรมหลวงดำรงราชานุภาพ (สมเด็จพระเจ้าบรม วงศ์เธอ กรมพระยาดำรงราชานุภาพ) กราบบังคมทูลเสนอให้ตั้งกรมหลวงราชบุรีดิเรกฤทธิ์ ขณะทรงดำรงพระยศพระเจ้าลูกยาเธอ พระองค์เจ้ารพีพัฒนศักดิ์ ให้ทรงดำรงตำแหน่งเสนาบดีกระทรวงยุติธรรมสืบแทน ในชั้นแรก พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงยับยั้งไว้ก่อน ด้วยทรงเกรงว่าจะเป็นที่ครหาของคนทั่วไปว่าทรงตั้งพระเจ้าลูกยาเธอซึ่งมีพระ ชันษาเพียง ๒๒ ปีเป็นเสนาบดี และต่อมาเมื่อเจ้าพระยาอภัยราชา (Rolin Jacquemyns) รับรองว่าจะช่วยกำกับดูแลให้เรียบร้อย พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวจึงมีพระบรมราชโองการโปรดเกล้าฯ แต่งตั้งให้กรมหลวงราชบุรีราชบุรีดิเรกฤทธิ์ทรงดำรงตำแหน่งเสนาบดีกระทรวง ยุติธรรมเมื่อวันที่ ๓ มีนาคม พ.ศ. ๒๔๓๙ โดยทรงมอบหมายให้เจ้าพระยาอภัยราชาไปช่วยราชการอยู่ด้วย และยังทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ทรงดำรงตำแหน่งสภานายกในกองข้าหลวงพิเศษสำหรับจัดการแก้ไขธรรมเนียมศาล ยุติธรรมในหัวเมืองต่อไปด้วย

         กรมหลวงราชบุรีดิเรกฤทธิ์ ทรงมีส่วนสำคัญในการจัดตั้งโรงเรียนกฎหมายขึ้นในกระทรวงยุติธรรม  เมื่อ  พ.ศ.  ๒๔๔๐  เพราะทรงตระหนักถึงความจำเป็นที่จะต้องสร้างกำลังคนขึ้นใช้ในการพิจารณาพิพากษาคดี ทรงประสาทความรู้ทางกฎหมายและการอบรมจริยธรรมตุลาการให้แก่ผู้พิพากษาเก่าและใหม่ ตลอดจนนักเรียนกฎหมายที่จะเป็นผู้พิพากษาต่อไปในภายหน้าด้วยพระองค์เอง สำหรับแนวการศึกษากฎหมายของไทยในขณะนั้นได้ดำเนินตามระบบการจัดการศึกษากฎหมายของอังกฤษ ส่วนกฏหมายลักษณะครอบครัวและมรดก และกฎหมายที่ดินนั้น ศึกษาจากครูไทย กรมหลวงราชบุรีดิเรกฤทธิ์ทรงสอนเป็นประจำและมีอาจารย์อื่น ๆ ร่วมสอน คือ พระยาประชากิจกรจักร์ (แช่ม บุนนาค) ขุนหลวงพระยาไกรสี (เปล่ง เวภาระ) พระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหลวงพิชิตปรีชากร และพระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าวัชรีวงศ์  ในปลาย พ.ศ. ๒๔๔๐ ทรงเปิดให้มีการสอบไล่เป็นเนติบัณฑิตรุ่นแรก มีผู้สอบได้ ๙ ท่าน โดยมีเจ้าพระยามหิธร (ลออ ไกรฤกษ์) ได้รับยกย่องว่าเป็นเนติบัณฑิตคนแรก ต่อมาก็มีการสอบไล่ประจำปี จำนวนผู้สำเร็จเป็นเนติบัณฑิตจึงเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ พระองค์ได้ทรงพระนิพนธ์ตำรากฎหมายไว้จำนวนมาก เช่น พระราชบัญญัติในปัตยุบัน เล็กเชอร์กฎหมายที่ดิน กฎหมายราชบุรี การตั้งโรงเรียนกฎหมายและพระนิพนธ์ทางกฎหมายของพระองค์เป็นรากฐานของการก่อตั้งการศึกษาวิชานิติศาสตร์ขึ้นในประเทศไทย ในด้านการประพฤติปฏิบัติตนของผู้พิพากษา พระองค์ทรงบำเพ็ญเป็นตัวอย่างที่ดีในด้านจริยธรรมแก่ตุลาการด้วย ทรงกวดขันการทำงานของผู้พิพากษาให้มีความซื่อสัตย์สุจริต และมีความสามารถในการทำงานพระองค์จึงทรงพยายามเลือกเฟ้นกลั่นกรองบุคคลที่เหมาะสมกับตำแหน่งหน้าที่และเกียรติศักดิ์ของตุลาการ และกำจัดคนทุจริตประพฤติมิชอบออกไปจากตำแหน่งผู้พิพากษา  นอกจากนี้ ยังได้ทรงวางโครงการปรับปรุงเงินเดือนผู้พิพากษาให้เหมาะสมกับตำแหน่งหน้าที่และเกียรติของตุลาการด้วยการเพิ่มเงินเดือนให้มากขึ้นจนเพียงพอที่ผู้พิพากษาจะดำรงตนอยู่ได้ตามสมควร เพื่อแก้ไขและป้องกันการทุจริตในศาลต่าง ๆ โดยเริ่มปรับปรุงเมื่อ พ.ศ. ๒๔๔๖

         กรมหลวงราชบุรีดิเรกฤทธิ์ทรงเป็นประธานในการตรวจพระราชกำหนดบทพระอัยการเก่าใหม่ ปรึกษาลักษณะการที่จะชำระและจัดระเบียบกฎหมายเมื่อ พ.ศ. ๒๔๔๐ และทรงเป็นกำลังสำคัญในการตรวจชำระพระอัยการเป็นอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งการจัดทำกฎหมายลักษณะอาญา ร.ศ. ๑๒๗ ซึ่งเป็นประมวลกฎหมายไทยฉบับแรก

         ใน พ.ศ. ๒๔๔๒ พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้สถาปนาพระเจ้าลูกยาเธอ พระองค์เจ้ารพีพัฒนศักดิ์ขึ้นเป็นพระองค์เจ้าต่างกรม มีพระนามตามจารึกในพระสุพรรณบัฏว่า พระเจ้าลูกยาเธอ กรมหมื่นราชบุรีดิเรกฤทธิ์

         ในวันที่ ๓๐ เมษายน พ.ศ. ๒๔๕๒ กรมหลวงราชบุรีดิเรกฤทธิ์ ขณะดำรงพระอิสริยยศ พระเจ้าน้องยาเธอ กรมหมื่นราชบุรีดิเรกฤทธิ์ มีลายพระหัตถ์กราบบังคมทูลพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวเกี่ยวกับความปริวิตกของพระองค์ในการทำงานในตำแหน่งเสนาบดีกระทรวงยุติธรรมจนมีพระประสงค์จะลาออกจากตำแหน่ง แต่เนื่องจากขณะนั้นกำลังเกิดปัญหาเรื่องที่ปรึกษากฎหมายชาวยุโรปมักจะทำการต่าง ๆ โดยพลการ และเป็นช่วงเวลาที่รัฐบาลไทยกำลังพยายามทำให้เอกราชทางการศาลกลับคืนมาอยู่ใต้กฎหมายไทย พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวจึงไม่ทรงเห็นด้วยที่กรมหลวงราชบุรีดิเรกฤทธิ์จะกราบถวายบังคมลาออก เพราะทรงเป็นนักกฎหมายไทยคนเดียวที่ชาวต่างชาติเคารพยำเกรง  แต่ในที่สุด ก็ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้กรมหลวงราชบุรีดิเรกฤทธิ์ทรงออกจากตำแหน่งเสนาบดีกระทรวงยุติธรรมตามที่ทรงกราบถวายบังคมลาออกจากราชการเพราะทรงพระประชวรเมื่อวันที่ ๒๖ มิถุนายน พ.ศ. ๒๔๕๓ รวมเวลาที่ทรงดำรงตำแหน่งเสนาบดีกระทรวงยุติธรรมอยู่ถึง ๑๔ ปี

          พระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหลวงราชบุรีดิเรกฤทธิ์ เสด็จไปรักษาพระองค์ที่กรุงปารีส ประเทศฝรั่งเศส และสิ้นพระชนม์ที่กรุงปารีส เมื่อวันที่ ๗ สิงหาคม พ.ศ. ๒๔๖๓ ขณะพระชันษา ๔๗ ปี พระศพของพระองค์ได้รับการถวายพระเพลิงที่กรุงปารีส แล้วเชิญพระอัฐิกลับประเทศไทย พระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหลวงราชบุรีดิเรกฤทธิ์ มีพระโอรสธิดารวม ๑๓ องค์ เช่น หม่อมเจ้าหญิงชวลิตโอภาส กิติยากร  หม่อมเจ้าอากาศดำเกิง รพีพัฒน์  หม่อมเจ้าหญิงดวงทิพย์โชติแจ้งหล้า  อาภากร.