Иван Иванович Хмелев родился  в Старом Осколе в семье рабочего. В 1934 году окончил семилетнюю школу.          Был призван в Красную Армию в 1939 году.

С первых дней войны сражался на Западном, Брянском и 1-м Белорусском фронтах. Участвовал в Курской битве, в освобождении города Орла.    20 февраля 1944 года в районе деревни Вищин Гомельской области рота под командованием лейтенанта Хмелева форсировала Днепр. Дальнейшему продвижению мешала сильно укрепленная полоса обороны. Хмелев повел роту в атаку. Бойцы штурмом овладели первой, а затем второй и третьей траншеями. Рота заняла деревню Вищин, лишив гитлеровцев возможности маневрировать вдоль фронта обороны, но сама оказалась в окружении. Иван Хмелев отдал команду: «Стоять насмерть, драться до последнего патрона!». Выходя из окружения, советские воины захватили 4 орудия с боеприпасами и открыли огонь из трофейного оружия. Рота соединилась со своей частью. 21 февраля 1944 года лейтенант Хмелев был смертельно ранен и умер. Похоронен в братской могиле в деревне Вищин Рогачевского района Гомельской области.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 3 июня 1944 года командиру стрелковой роты 1020-го стрелкового полка старшему лейтенанту Хмелеву Ивану Ивановичу посмертно присвоено звание Героя Советского Союза.