Заниматься боксом начал в 1994 году. Студент Южноукраинского государственного педагогического университета имени К. Ушинского. Выступает за физкультурно-спортивное общество «Колос». Тренеры: Анатолий Николаевич Ломаченко и Иосиф Геннадиевич Кац (экс-тренер).
В 2007 году стал победителем XI международного турнира памяти Семёна Трестина, став обладателем специального приза за победу в категории 57 кг, в которой выступал сам Трестин.
На чемпионате мира 2007 года в Чикаго занял 2-е место.
На Олимпийских играх 2008 года выиграл у российского боксёра Альберта Селимова, которому уступил в финале чемпионата мира 2007 года. Первые два раунда протекали с перевесом Селимова, но начиная с третьего Ломаченко навязал Селимову свою манеру ведения боя и одержал победу. 23 августа 2008 г. в финале Игр досрочно победил французского боксера Хедафи Джелхира и стал олимпийским чемпионом, а также лучшим боксёром турнира, завоевав почётный Кубок Вэла Баркера.
На Чемпионате мира 2009 года в Милане выиграл золото в весовой категории до 57 кг победив в финале Сергея Водопьянова из России. На чемпионате мира в Баку занял 1 место в категории до 60 кг.
