Od 1946 przez pięć lat pracowała równocześnie w Instytucie Chemii Ogólnej, od 1949 prowadziła zajęcia z biochemii dla studentów wydziałów chemii i biologii. W 1951 została kierownikiem Zakładu Biochemii Instytutu Farmaceutycznego, funkcję tę pełniła przez dwa lata. Zainicjowała produkcję witaminy K, kwasu lewulinowego, hydrolizatu białkowego i dikumarolu, za rozpoczęcie pierwszego w historii polskiej chemii procesu produkcji hydrolizatu białkowego zespół kierowany przez Irenę Chmielewską otrzymał w 1951 nagrodę państwową. Kontynuacją były prace badawcze nad metabolizmem aminokwasów i peptydów u zwierząt, a także nad metodami otrzymywania i właściwościami witamin i antywitamin K. Do najcenniejszych osiągnięć naukowych Ireny Chmielewskiej należały badania nad tautomerią piranów, w wyniku których wysunęła ona hipotezę na temat roli metylochinonów w sprzężonym z oksydacyjną fosforylacją łańcuchowym przenoszeniu elektronów w układach biologicznych. W 1955 Irena Chmielewska uzyskała tytuł profesora nadzwyczajnego, a sześć lat później profesora zwyczajnego. Dzięki jej zaangażowaniu w 1958 na Wydziale Biologii i Nauk o Ziemi Uniwersytetu Warszawskiego powstała Katedra Biochemii, która w 1968 została przekształcona w Instytut Biochemii. Irena Chmielewska kierowała nim do przejścia w stan spoczynku w 1974.