Membre du club Dynamo Soumy, la biathlète s'est d'abord illustrée dans les compétitions réservées aux juniors. Ainsi, en 2005, elle remporte deux médailles d'argent, sur l'individuel et le relais féminin, aux Championnats du monde juniors de Kontiolahti (Finlande). L'année suivante, Semerenko fait son apparition au plus haut niveau mondial en disputant ses premières courses dans la Coupe du monde. Dès l'épreuve inaugurale de la saison 2006-2007, à Östersund, l'Ukrainienne inscrit de premiers points en terminant d'un individuel. C'est dans cette même station suédoise, lors des Championnats du monde 2008, que la biathlète remporte la médaille d'argent du relais féminin.