Jarmolenko maakte op 5 september 2009 zijn debuut in het Oekraïens voetbalelftal in een wedstrijd op het kwalificatietoernooi voor het WK 2010 tegen Andorra. Hij begon in het basiselftal en opende in na twintig minuten de score. Jarmolenko speelde de volledige wedstrijd, die eindigde in een 5–0 overwinning voor Oekraïne. Jarmolenko speelde op het EK 2012 in eigen land in alle drie groepswedstrijden. In een EK-kwalificatiewedstrijd op 15 november 2014 in en tegen Luxemburg (0–3 winst) maakte Goesjev een hattrick – voor het eerst in zijn carrière. Op 19 mei 2016 werd hij opgenomen in de Oekraïense selectie voor het EK 2016 in Frankrijk. Oekraïne werd in de groepsfase uitgeschakeld na nederlagen tegen Duitsland (0–2), Noord-Ierland (0–2) en Polen (0–1).