Фамилия Хмеляева образована от прозвища или имени Хмеляй, а то, в свою очередь, — от слова «хмель». В русской ономастике это типичная модель: суффикс -ай (сравните: Молчун — Молчай, Гуляй) давал уменьшительно-прозвищную форму. Исходное слово «хмель» могло указывать на человека весёлого, «хмельного» нрава, либо на того, кто занимался выращиванием или торговлей хмелем — важным сырьём для пивоварения и хлебопечения.

Сама фамилия стоит в женской форме (Хмеляева), а мужской вариант — Хмеляев. По модели образования это типично для центральных и южнорусских регионов: суффикс -ев присоединялся к основам на мягкий согласный или -й. В данном случае основа Хмеляй даёт Хмеляев, как, например, Лапша — Лапшаев или Бродяга — Бродягаев.

Менее вероятная, но возможная версия — связь с топонимом. В России есть несколько небольших сёл и речек с названиями вроде Хмелёвка, Хмелево, от которых могли образовать фамилию через форму «хмеляевский» — «житель Хмелёвки». Однако для фамилии Хмеляева такая цепочка менее естественна, чем прямая связь с прозвищем.

В словарях фамилия не фиксируется как распространённая, что говорит о её относительной редкости. Встречается она преимущественно в Поволжье и центральных областях России. По сути, Хмеляев — это потомок человека, которого в быту называли Хмеляем: либо за весёлый, «пьянящий» характер, либо за ремесло, связанное с хмелеводством.