Ở cấp quốc gia, Mykhailychenko đã 41 lần khoác áo đội tuyển Liên Xô, ghi 9 bàn thắng. Ông đã cùng đội này đoạt huy chương bạc tại Euro 1988, huy chương vàng thế vận hội mùa hè 1988 tổ chức tại Seoul. Chấn thương không cho phép ông cùng đội tuyển quốc gia tham gia vòng chung kết giải vô địch bóng đá thế giới 1990 tổ chức tại Ý và nhiều người coi đây là một yếu tố dẫn tới thất bại của đội tuyển Liên Xô.