В первые годы своего театрального пути Хмелевискал экспрессионистских резких тем и форм в ролях «злодеев» (Шпигельберг в «Разбойниках» Шиллера, Ушаков и Бирон в «Елизавете Петровне» Д. Смолина).

Самолюбивый и сомневающийся в себе, трудный в контактах, он был воспринят как одна из самых интересных фигур «второго поколения» после первых же ролей. Сохраняя связь с традицией МХТ — «театра живого человека», Xмелев придавал сценическим образам предельное напряжение и четкость; искал то, что он сам парадоксально определял поставленным перед собой вопросом: «какой у меня здесь балет». Его решения отличались продуманностью и внезапностью, он был свободен в выборе стилистических средств и душевных тонов. Он любил смену задач.

Немирович-Данченко согласился, что именно Хмелеву должна быть отдана роль Астрова в задуманном в 1940 г. «Дяде Ване»: сильный ум, суммирующий свое объективное бессилие, — он мог это сыграть остро и мощно. Драмы ума были вообще его сферой. Долгие годы его мечтой был Гамлет, он начинал эту работу с Немировичем-Данченко, пока по логике эпохи режиссер не сменил толкование образа героя — вместо трагического приключения мысли, идущей по лабиринтам реальности, в центр вставала энергия сопротивления, способность обнажить шпагу, и роль перешла к Б. Н. Ливанову (которому так же не суждено было ее сыграть). По обстоятельствам военного времени Xмелеву пришлось перед выпуском «Кремлевских курантов» сменить М. М. Тарханова, репетировавшего роль инженера Забелина: в отличие от героя Тарханова — русского ученого из самородков, озорника и юрода — его герой был петербуржцем, наследником культуры, логику гибели которой он мучительски заставлял себя постигать на площади перед Иверской, на здешнем пугливом, глумливом торжке.

Xмелев тяготел к режиссуре (был травмирован прекращением его работы в МХАТ над «Первой Конной» Вс. Вишневского, 1930). Создал собственную студию в 1932 г. В 1937 г. она слилась со Студией им. Ермоловой, образовав Театр им. Ермоловой, которым Xмелев руководил до конца жизни. Режиссировал в МХАТ («Фронт», 1942, «Русские люди», 1943, «Последняя жертва», 1944). Был членом руководства (так называемых «шестерки» и «пятерки») еще при жизни основателей театра. Принял на себя ответственность за труппу в годы войны, когда Немирович-Данченко был в эвакуации в Тбилиси. После смерти Немировича-Данченко в 1943 г. Xмелев стал художественным руководителем МХАТ (директором стал Москвин). Его выдвижение так же было предопределено его дарованиями, как и особым к нему отношением И. В. Сталина: Сталин восхищался его Турбиным, его Карениным — после «Анны Карениной» Xмелеву, как и А. К. Тарасовой, в нарушение обычного порядка присвоения почетных званий, сразу «дали народного СССР».

Последней его актерской работой был Иван Грозный в трагедии А. Н. Толстого «Трудные годы». Умер в театре в день генеральной репетиции.