Ponad rok później, 31 lipca 2010 roku Dimitrenko zdobył mistrzostwo Europy EBU, pokonując przez techniczny nokaut Ukraińca Jarosława Zawrotnego. W pierwszej obronie tytułu miał rywalizować 4 grudnia 2010 roku w Schwerinie z Albertem Sosnowskim. Do walki tego dnia jednak nie doszło, gdyż kilkadziesiąt minut przed jej rozpoczęciem Dimitrenko miał rzekomo zasłabnąć w szatni z powodu zatrucia pokarmowego. Ostatecznie obaj bokserzy zmierzyli się 26 marca 2011 roku w Hamburgu. Dimitrenko obronił tytuł, nokautując Polaka ciosem podbródkowym w ostatniej, dwunastej rundzie.
Pół roku po walce z Sosnowskim Dimitrenko pokonał na punkty w Hamburgu Michaela Sprotta. W trzeciej obronie mistrzostwa Europy zmierzyć się miał przeciwko niepokonanemu Robertowi Heleniusowi. Termin konfrontacji przekładano dwukrotnie, aby ostatecznie ustalić go na 3 grudnia 2011 roku. Dimitrenko oświadczył jednak w listopadzie, że nie zdoła się przygotować do tej walki ze względu na kontuzję i w konsekwencji został pozbawiony pasa z powodu przekroczenia limitu czasu na jego obronę.
Szansę odzyskania tytułu Dimitrenko otrzymał 5 maja 2012 roku, gdy zmierzył się w Erfurcie z Kubratem Pulewem.