В 1919 Хмелев поступил на историко-филологический факультет Московского университета. В августе того же года МХТ объявил прием «сотрудников». Благодаря В.М.Мчеделову Хмелев был принят в школу МХТ в «сотрудники» 2-й Студии. В школе при 2-й Студии преподавали и работали с молодыми актерами Е.Б.Вахтангов, Л.М.Леонидов, В.В.Лужский, Е.П.Муратова, Мчеделов, Н.А.Подгорный, Н.О Массалитинов. Об ученических работах Хмелева – Фирс (Вишневый сад), Карп (Лес), Снегирев (Братья Карамазовы), рассказы Чехова – с похвалой отзывались К.С.Станиславский и Вл.И.Немирович-Данченко. Работа над ролью у Хмелева начиналась с того, что он рисовал портрет своего героя. Уже тогда он уделял большое внимание гриму, позднее с успехом преподавал грим в студии Мчеделова, в школе 2-й Студии, в студии Завадского. Первой ролью в Студии стала бессловесная роль Посыльного в Комедии о человеке, который женился на немой А.Франса (1919). Из 19 ролей, сыгранных на сцене 2-й Студии, 12 было бессловесных и выходных.

Бессловесной, построенной на движении и жестикуляции была и его первая работа в МХТ – образ Огня в Синей птице М.Метерлинка. Первой значительной ролью во 2-й Студии был Шпигельберг в Разбойниках Фр.Шиллера (1923). Рецензенты ее не заметили, но в самом театре работа Хмелева была признана, он получил одну из ведущих ролей – Ушакова в спектакле Елизавета Петровна Д.Смолина (1924–1925). Когда в 1924 основная группа актеров вернулась на родину, по предложению Немировича-Данченко актеры 2-й Студии стали актерами Московского Художественного театра. После смерти Г.С.Бурджалова (1924) Хмелев играл Костылева в На дне М.Горького. В этой роли, решенной остросатирически, он шел от внешней характерности, в его облике было нечто трагически-хищное. Роль крестьянина Марея в Пугачещине К.Тренева (1925), над которой он работал непосредственно с Немировичем-Данченко, принесла Хмелеву известность.

Особое место в биографии актера занимает роль Алексея Турбина в спектакле Дни Турбиных М.А.Булгакова (1926), которая принесла ему настоящее признание. К десятилетию Октябрьской революции, 8 ноября 1927, МХТ показал Бронепоезд 14-69 Вс.В.Иванова. Хмелев играл большевика-интеллигента Пеклеванова. Очередная актерская удача – роль князя К. в Дядюшкином сне по Ф.М.Достоевскому (1929), сыгранная гротесково и трагично. В 1932 исполнилась давняя мечта Хмелева сыграть Фирса в Вишневом саде: актера интересовала трагедия бессильной старости, безысходного одиночества. В 1935 он выступил в роли Царя Федора в программном спектакле театра. Инициатива поручить ему эту роль принадлежит И.М.Москвину, игравшему Царя Федора со дня выхода спектакля (1898). В том же году Хмелев сыграл Скроботова во Врагах Горького. Событием театральной жизни стал спектакль МХАТа Анна Каренина (1937) с Хмелевым в роли Каренина.

В 1932 организовался Театр-студия под руководством Н.П.Хмелева (в 1937 влился в Московский театр им. Ермоловой, Хмелев был его художественным руководителем до 1945). В студии он поставил спектакль Не было гроша, да вдруг алтын Островского, имевший большой успех, осуществил постановки спектаклей Дон Хиль – зеленые штаны Т.де Молины и Дальняя дорога А.Арбузова, в театре им. Ермоловой выпустил Шторм В.Билль-Белоцерковского, Дети солнца Горького, Кубанцев В.Ротко и Как вам это понравится У.Шекспира. Вершиной творчества Хмелева стала роль Тузенбаха в Трех сестрах А.П.Чехова (1940). В октябре 1941, когда МХТ находился в эвакуации, Хмелев был назначен заведующим художественной частью театра, тогда же за выдающиеся творческие достижения был удостоен Государственной премии. В 1940-е годы сыграл Забелина в Кремлевских курантах Н.Погодина (Государственная премия, 1942), Дубельта в Последних днях Булгакова, принимал участие в постановке пьесы Русские люди К.Симонова, Фронта А.Корнейчука. После смерти Немировича-Данченко был назначен художественным руководителем МХАТа. В 1944 поставил во МХАТе Последнюю жертву Островского (Государственная премия, 1946; посмертно).

В 1945 актер работал над образом Ивана Грозного в пьесе А.Н.Толстого Трудные годы. Ставили спектакль А.Д.Попов и М.О.Кнебель. Хмелев изучал материальную культуру эпохи Ивана Грозного, своеобразие русской речи 16 в. Хмелева захватили трагические противоречия в жизни русского царя, проблема исторической ответственности власти. На 1 ноября 1945 была назначена генеральная репетиция в костюмах и гриме, во время которой Хмелев умер.