Na igrzyskach olimpijskich w Londynie zdobył złoty medal w kategorii do 60 kg.
Jest powszechnie uznawany za najlepszego amatorskiego boksera świata przełomu pierwszej i drugiej dekady XXI wieku.
Karierę amatorską zakończył rekordem 396-1.
Kariera zawodowa 12 października 2013 Łomaczenko zadebiutował na zawodowym ringu, nokautując w czwartej rundzie Jose Ramireza i zdobywając pas WBO International w wadze piórkowej.
1 marca 2014 w San Antonio w Teksasie broniący tytułu Łomaczenko przegrał niejednogłośnie na punkty (112:116, 113:115, 115:113) z Meksykaninem Orlando Salido, który jednak stracił pas mistrza świata WBO poprzez przekroczenie limitu wagi. Tytuł został uznany za wakujący, ale jedynie Łomaczenko otrzymał prawo do walki o niego.
21 czerwca w Carson w Kalifornii Ukrainiec pokonał decyzją większości sędziów (116:112, 114:114, 116:112) Amerykanina Gary’ego Russella Jr.