Erste internationale Erfahrungen sammelte Rafał Omelko im Jahr 2008, als er bei den Juniorenweltmeisterschaften im heimischen Bydgoszcz mit der polnischen 4-mal-400-Meter-Staffel in 3:08,65 min den fünften Platz belegte. 2010 qualifizierte er sich im 400-Meter-Hürdenlauf für die Europameisterschaften in Barcelona, schied dort aber mit 52,54 s in der ersten Runde aus. Im Jahr darauf kam er bei den U23-Europameisterschaften in Ostrava in der Staffel im Vorlauf zum Einsatz und bekam deshalb die Silbermedaille zugesprochen. 2013 gewann er bei den Halleneuropameisterschaften in Göteborg ursprünglich gemeinsam mit Michał Pietrzak, Łukasz Domagała und Grzegorz Sobiński die Bronzemedaille, wurden aber nach dem Lauf wegen unsportlichen Verhaltens disqualifiziert. Anschließend nahm er erstmals an der Sommer-Universiade in Kasan teil und belegte dort über 400 Meter in 45,69 s den vierten Platz. Mit der Staffel nahm er zudem an den Weltmeisterschaften in Moskau teil, erreichte in 3:01,73 min aber nicht das Finale. 2014 gelangte er bei den Hallenweltmeisterschaften im heimischen Sopot über 400 Meter bis in das Halbfinale und schied dort mit 46,94 s aus und belegte in der Staffel in 3:04,39 min den vierten Platz. Anschließend schied er bei den World Relays auf den Bahamas mit der Staffel mit 3:05,16 min im Vorlauf aus. Im August erreichte er bei den Europameisterschaften in Zürich im Einzelbewerb über 400 Meter das Halbfinale und schied dort mit 46,69 s aus. Zudem gewann er in der Staffel gemeinsam mit Łukasz Krawczuk, Kacper Kozłowski und Jakub Krzewina in 2:59,85 min die Silbermedaille hinter dem Vereinigten Königreich, nachdem die russische Mannschaft wegen eines Dopingverstoßes disqualifiziert worden war.