С июня 1941 года младший лейтенант И. В. Шмелёв в действующей армии. Осенью 1941 года начал летать командиром разведывательного звена 282-го ИАП, получив звание лейтенанта. По июнь 1942 года служил в составе 282-го ИАП; по ноябрь 1942 года — в 633-м САП, где пересел с устаревших И-153 и И-16 на современный истребитель Як-1 и стал заместителем командира эскадрильи. С апреля 1943 года по май 1945 года — в 4-м ИАП, где летал уже на Як-9Т. Особо отличился летом 1943 года в боях на Кубани. Затем участвовал в памятных боях на Курской дуге. Сражался на Юго-Западном, Сталинградском, Южном, Северо-Кавказском, Брянском и 2-м Прибалтийском фронтах.