Erste internationale Erfahrungen sammelte Mitko Zenow beim Europäischen Olympischen Jugendfestival (EYOF) 2009 in Tampere, bei dem er im 2000-Meter-Hindernislauf in 6:13,51 min den elften Platz belegte. Bei den Crosslauf-Weltmeisterschaften 2011 in Punta Umbría erreichte er nach 26:06 min Rang 86 in der U20-Wertung und anschließend gewann er bei den Balkan-Meisterschaften in Sliwen in 9:01,29 min die Bronzemedaille über 3000 m Hindernis, ehe er bei den Junioreneuropameisterschaften in Tallinn mit 9:22,99 min in der Vorrunde ausschied. 2012 gewann er bei den Balkan-Hallenmeisterschaften in Istanbul in 8:21,64 min die Bronzemedaille im 3000-Meter-Lauf und anschließend verpasste er bei den Juniorenweltmeisterschaften in Barcelona im Hindernislauf mit 8:57,98 min den Finaleinzug. Im Jahr darauf gewann er bei den Balkan-Hallenmeisterschaften in 8:13,73 min die Silbermedaille über 3000 Meter und im Sommer wurde er bei den U23-Europameisterschaften in Tampere im Hindernislauf im Finale disqualifiziert. Anschließend siegte er bei den Balkan-Meisterschaften in Stara Sagora in 8:46,69 min und schied dann bei den Weltmeisterschaften in Moskau mit 8:32,49 min in der Vorrunde aus. Im Dezember gewann er dann bei den Crosslauf-Europameisterschaften in Belgrad in 24:07 min die Silbermedaille hinter dem Belgier Pieter-Jan Hannes. 2014 gewann er bei den Balkan-Hallenmeisterschaften in 7:58,26 min erneut die Silbermedaille über 3000 Meter und bei den Freiluftmeisterschaften in Pitești siegte er in 8:52,33 min im Hindernislauf, ehe er bei den Europameisterschaften in Zürich nach 8:34,16 min auf dem neunten Platz einlief. Zudem verbesserte er in diesem Jahr den bulgarischen Landesrekord im Hindernislauf in Huelva auf 8:20,87 min.