Родился 28 июля (10 августа) 1901 года в рабочей слободе Сормово Балахнинского уезда Нижегородской губернии в семье рабочего.
Заслуженный артист РСФСР (18.01.1933).
Народный артист СССР (28.04.1937).
Учился в частном сормовском реальном училище Н.Н.Субботиной, а после его закрытия – во 2-ой Нижегородской гимназии в Канавине. В 1916 году, после переезда семьи в Москву, поступил в 6-ю Московскую гимназию.
Учился на историко-филологическом факультете Московского университета.
В 1919 году поступает во 2-ю студию школы МХТ - Московского художественного театра (с 1919 - академического, с 1932 - им. Горького). Во 2-й студии преподавали Е.Б. Вахтангов, Л.М. Леонидов, В.В. Лужский, Е.П. Муратова, В.М. Мчеделов, Н.А. Подгорный, Н.О Массалитинов.
Из 19 ролей, сыгранных на сцене 2-й Студии, 12 было бессловесных и выходных. Первой ролью в Студии стала бессловесная роль Посыльного в "Комедии о человеке, который женился на немой" А. Франса (1919). Об ученических работах Хмелёва - Фирс ("Вишневый сад"), Карп ("Лес"), Снегирёв ("Братья Карамазовы"), рассказы Чехова - с похвалой отзывались К.С. Станиславский и В.И. Немирович-Данченко.
С 1924 года - актер и режиссер МХАТа.
Первая роль в кино - Жених в агитационном фильме "Домовой-агитатор", первая значительная роль - принц Карлштейн в фильме Г. Рошаля "Саламандра" (1928).
В 1932 году организовался Театр-студия под руководством Н.П. Хмелева (в 1937 году соединился с Театром-студией имени Ермоловой, преобразовавшись в Московский театр им. Ермоловой. Хмелёв стал художественным руководителем театра до 1945 года).
В 1943—1945 годах одновременно был художественным руководителем МХАТа. Член ВКП(б) с 1941 года.
Ушел из жизни 1 ноября 1945 года, во время генеральной репетиции спектакля "Трудные годы" А.Н. Толстого, в котором исполнял роль царя Ивана Грозного.
Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.
Именем Хмелёва в 1945—1993 годах называлась улица (Пушкарёв переулок, в районе Сретенки).
В Сормовском районе Нижнего Новгорода именем Николая Хмелёва назван переулок.
Первая жена — актриса Дина Тополева.
Вторая — актриса театра «Ромэн» Ляля Чёрная (Надежда Хмелёва, в девичестве — Надежда Киселёва, 1909—1982).
театральные работы
1923 — «Разбойники» Ф. Шиллера — Шпигельберг
1924 — «Синяя птица» М. Метерлинка (дебют во МХАТе) — Огонь
1924 — «Елизавета Петровна» Д. Смолина — Ушаков, Бирон
1924 — «На дне» М. Горького — Костылёв
1925 — «Пугачёщина» К.А. Тренёва — Марей
1926 — «Дни Турбиных» М.А. Булгакова — Алексей Турбин
1926 — «Горячее сердце» А.Н. Островского — Силан
1927 — «Бронепоезд 14-69» Вс.В. Иванова — Пеклеванов
1929 — «Дядюшкин сон» по Ф.М. Достоевскому— князь К.
1930 — «Воскресенье» по Л.Н. Толстому — Крыльцов
1930 — «Реклама» Уоткинса — Мёрдок
1932 — «Вишнёвый сад» А.П. Чехова — Фирс
1935 — «Царь Фёдор Иоаннович» А.К. Толстого. Постановка К.С. Станиславского и Вл.И. Немировича-Данченко — царь Фёдор
1935 — «Враги» М. Горького — Николай Скроботов
1937 — «Земля» Н.Е. Вирты — Сторожев
1937 — «Анна Каренина» по роману Л.Н. Толстого. Постановка Вл.И. Немировича-Данченко — Каренин
1940 — «Три сестры» А.П. Чехова. Постановка Вл.И. Немировича-Данченко — Тузенбах
1941 — «Кремлёвские куранты» Н.Ф. Погодина — Забелин
1941 — «Последние дни» М.А. Булгакова — Дубельт
1945 — «Трудные годы» А.Н. Толстого — Иван Грозный
«Хлеб» по пьесе В.М. Киршона — Раевский
«Узор из роз» Ф.К. Сологуба — повар Елевферий
«Горе от ума» А.С. Грибоедова — Петрушка
«Сказка об Иванушке» — король Тму-Тараканска
Режиссёр:
1934 — «Не было гроша, да вдруг алтын» А. Островского (совместнос Е.С. Телешевой)
1940 — «Как вам это понравится» У. Шекспира (совм. с М.О. Кнебель)
1942 — «Фронт» А.Е. Корнейчука (совм.)
1943 — «Русские люди» К.М. Симонова (совм.)
1944 — «Последняя жертва» А.Н. Островского (совм.)
1944 — «Дети солнца» М. Горького (совместно с М.О. Кнебель)
«Дон Хиль - зелёные штаны» Т. де Молины
«Дальняя дорога» А.Н. Арбузова
«Шторм» В.Н. Билль-Белоцерковского
«Кубанцы» В. Ротко
призы и награды
Сталинская премия первой степени (1941) — за выдающиеся достижения в области театрально-драматического искусства.
Сталинская премия первой степени (1942) — за исполнение роли инженера Забелина в спектакле «Кремлёвские куранты» Н.Ф. Погодина.
Сталинская премия первой степени (1946) — за постановку спектакля «Последняя жертва» А.Н. Островского (посмертно).
Орден Трудового Красного Знамени.
роли в кино
1939 Человек в футляре :: Беликов :: главная роль
1936 Поколение победителей :: Евгений Светлов :: главная роль
1935-1936 Бежин луг :: отец Степка
1932 Мертвый дом :: Достоевский :: главная роль
1928 Саламандра | Salamander (СССР, Германия) :: принц Карлштейн
1927 Конец Санкт-Петербурга :: биржевик
1920 Домовой-агитатор (короткометражный) :: жених дочери Андрея
