Потім він став тренером, почавши з посади помічника тренера Київського «Динамо» у штабі Валерія Лобановського. Після смерті Лобановського Михайличенко змінив його на посаді головного тренера. У 2004 році він очолив молодіжну збірну України до 21 року, з якою став віце-чемпіоном Європи 2006 року та учасником молодіжного чемпіонату світу 2005 року (1/8 фіналу). Після цього у 2008—2009 роках він був головним тренером національної збірної України, яку покинув після того як команда не квалфікувалась на чемпіонат світу 2010 року. У 2011 році Олексій знову повернувся в «Динамо», на цей раз зайнявшись адміністративною роботою і періодично входячи в тренерський штаб. З 15 серпня 2019 по 20 липня 2020 року — знову головний тренер «Динамо». З серпня 2021 року очолив Комітет національних збірних УАф.