В 1936 году поступил в Качинскую военную авиационную школу пилотов.
С 1938 года служил в Люберецкой истребительной дивизии.
В 1939—1940 годах участвовал в боевых действиях с белофинами.
В 1941—1945 годах во время военных действий совершил 392 успешных боевых вылета (60 вылетов — на бомбардировку и 70 вылетов — на штурмовку войск противника).
В воздушных боях сбил 9 вражеских самолётов.
Участник парада Победы 24 июня 1945 года.
По окончании войны командовал авиационным полком, дивизией.
В 1959 году окончил Военную академию Генерального штаба.
В 1960—1961 — начальник Качинского училища.
В 1962—1965 — заместитель командующего 1-й Воздушной армией.
В 1965—1971 — командующий 4-й Воздушной армией.
В 1968 году командовал армией при вводе войск в Чехословакию.
В 1971—1976 — начальник Командного факультета Военно-воздушной академии.
В рядах ВВС Б. Д. Мелехин прослужил 40 лет и прошел путь от курсанта военной школы пилотов до командующего воздушной армией, налетав при этом более 3 000 часов на самолетах 15 типов.
В 1966 года присвоено звание «Заслуженный военный лётчик СССР».