Jako piłkarz startował do niej w Spartaku Sumy, skąd po czterech latach trafił do ekstraklasowej Zorii Ługańsk (wówczas Woroszyłowgrad), która należała do ścisłej czołówki w Związku Radzieckim. W tym klubie rozegrał dwa sezony, po czym podpisał kontrakt z Dynamem Kijów. Z klubem z obecnej stolicy Ukrainy wywalczył trzy tytuły mistrza ZSRR, dwa krajowe puchary. Odnosił też sukcesy na arenie międzynarodowej – w 1975 roku Dynamo wywalczyło Puchar Zdobywców Pucharów oraz Superpuchar Europy. Fomienko był również reprezentantem kraju – w narodowym zespole rozegrał 24 spotkania i ani razu nie wpisał się na listę strzelców. Ma w swoim dorobku także brązowy medal olimpijski – w 1976 podczas igrzysk w Montrealu reprezentacja Związku Radzieckiego zajęła trzecie miejsce. Fomienko karierę zakończył zaledwie dwa lata później z powodu nękających go urazów.

Rok później rozpoczął karierę trenerską w rodzinnych stronach, obejmując Spartak Sumy. Zaledwie po jednym sezonie wrócił jednak do Kijowa, zostając asystentem trenera Dynama. Przez kilka kolejnych lat prowadził mniejsze kluby, takie jak Desna Czernihów czy Krywbas Krzywy Róg. Dłużej zakotwiczył w gruzińskiej Gurii Lanczchuti, a w 1990 roku wyjechał do Iraku. Tam objął posadę szkoleniowca Al-Rashid Bagdad, a następnie reprezentacji tego kraju. Przygoda nie potrwała jednak długo i wkrótce Fomienko ponownie zjawił się w Sumach. Wkrótce raz jeszcze zaufano mu w Dynamie, które w 1993 roku doprowadził do mistrzostwa i Pucharu Ukrainy. Później jego kariera potoczyła się co najmniej… dziwnie. Przewodził między innymi reprezentacji Gwinei, ale w futbolu klubowym nie zdołał wybić się poza ligę ukraińską. Dopiero w 2010 roku wyjechał do Rosji, obejmując Salut-Energiję Biełgorod. W czasie pracy w rosyjskim klubie spotkała go jednak osobista tragedia – w 2011 roku stracił córkę i powrócił na Ukrainę. Dość niespodziewanie w grudniu następnego roku otrzymał propozycję poprowadzenia narodowej kadry. Nie zdołał awansować z nią do finałów mistrzostw świata w Brazylii, ale kolejna misja – awans na EURO 2016 – zakończyła się pełnym sukcesem, choć dopiero po meczach barażowych. W samym turnieju było już znacznie gorzej. Po dwóch meczach Ukraina pogrzebała swe szanse na wyjście z grupy. Starcie z Polską będzie dla Fomienki formą pożegnania z reprezentacją – prawdopodobnie na stanowisku zastąpi go legenda ukraińskiego futbolu, Andrij Szewczenko.