М. И. Хмелько родился 23 октября 1919 года в Киеве в семье рабочего завода «Арсенал» революционера И. Н. Хмелько. В детстве посещал студию М. М. Ярового. В 1933 году поступил в Киевский художественный техникум. В 1940 годах учился в Одесском художественном техникуме. Участник Великой Отечественой войны. Служил сапёром-картографом. Будучи раненым, выбрался из окружения, пробрался в Киев, где скрывался до его освобождения. Впоследствии служил в бригаде фронтовых художников при политуправлении 1-го Украинского фронта. В 1946 году окончил Киевский государственный художественный институт, где учился на курсе К. Д. Трохименко. В 1948—1973 годах заведовал кафедрой живописи в КГХИ, с 1962 года — профессор. В 1951—1957 годах возглавлял Союз художников Украины. В связи со злоупотреблением алкоголем был уволен из института. В последние годы, тяжело переживая перестройку и развал СССР, находился в творческом простое.
М. И. Хмелько умер 15 января 1996 года.