Войну начал на Западном Буге, на Владимир-Волынском укрепрайоне. 87-й дивизии, в которой служил Василенко, пришлось противостоять пехотням дивизиям группы армий «Юг». Ведя упорные бои с превосходящими силами немцев, дивизия понесла большие потери и к тому же оказалась отрезанной от войск 5-й армии. В результате четырёхдневных боёв, дивизия смогла вырваться из окружения. В июле 1941 года Василенко отличился при обороне Киева, за что был произведён в полковники??? и выдвинут на должность командира дивизии.