Фамилия Хмелевая — одна из тех, что образована напрямую от названия растения. В основе лежит слово «хмель», которое в русских говорах имело и переносные значения: так могли называть человека с пышными, вьющимися волосами или, наоборот, любителя хмельных напитков. Впрочем, основная версия более прозаична: фамилию могли дать владельцу хмельника — участка, засаженного хмелем, или же крестьянину, который занимался сбором и продажей этого сырья для пивоварения.

Примечательна грамматическая форма. Фамилия Хмелевая стоит в женском роде, что для русских фамилий нехарактерно: обычно в документах и быту закрепляется мужская форма (Хмелев). Здесь, скорее всего, мы видим патроним или даже топонимическое прозвище, которое застыло в исходной записи. В южнорусских и украинских говорах прилагательное на -ая могло относиться к женщине, если фамилия передавалась по материнской линии, или же к местности — например, Хмелевая балка, Хмелевая поляна. Такой тип образования встречается реже, чем стандартные -ов/-ев, и часто указывает на позднюю фиксацию фамилии или на западнорусское влияние.

С точки зрения сословной принадлежности, носители фамилии Хмелевая, скорее всего, происходили из крестьян или однодворцев. В XIX веке эту фамилию фиксировали в Тульской, Орловской и Воронежской губерниях — регионах, где хмель действительно выращивали на продажу. Встречается она и у донских казаков, где прозвище «Хмель» могло закрепиться за человеком с буйным нравом.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Хмелевая стоит особняком. Хмелёв — самая распространённая форма, Хмельницкий — топонимическая, а Хмелевая сохранила связь с конкретным местом или занятием. В современных справочниках её нередко путают с Хмелёвой, меняя ударение, но исходное ударение падает на первый слог: Хмелевая.