Родился в 1918 году в городе Старый Оскол (ныне Старооскольский район). Окончил семилетнюю школу. Работал на Старооскольской мебельной фабрике. Призван в Красную Армию в 1939 году, окончил курсы младших лейтенантов. 

Командир роты 1020-го стрелкового полка (269-я стрелковая дивизия, 3-я армия, 1-й Белорусский фронт) старший лейтенант Хмелёв И.И. героически сражался и погиб при захвате плацдарма на правом берегу реки Днепр в районе села Вищин (Гомельская обл.). 

3 июня 1944 года Указом Президиума Верховного Совета СССР Хмелеву И.И. посмертно присвоено звание Героя Советского Союза. Награжден орденами Ленина, Отечественной войны 2-й ст. 

Именем Героя названа одна из улиц Старого Оскола и восьмилетняя школа № 4, где он учился.