Erste internationale Erfahrungen sammelte Serhij Smelyk im Jahr 2012, als er bei den Europameisterschaften in Helsinki im 100-Meter-Lauf in 10,34 s den fünften Platz belegte und über 200 Meter wegen eines Fehlstarts im Vorlauf disqualifiziert wurde. Über 200 Meter konnte er sich aber für die Olympischen Spiele in London qualifizieren und schied dort mit 20,65 s in der ersten Runde aus. Im Jahr darauf belegte er bei der Sommer-Universiade in Kasan in 10,21 s den vierten Platz über 100 Meter und siegte mit der ukrainischen 4-mal-100-Meter-Staffel in 38,56 s. Anschließend erreichte er bei den Weltmeisterschaften in Moskau im 200-Meter-Lauf das Halbfinale und schied dort mit 20,42 s aus, während er mit der Staffel mit 38,57 s den Finaleinzug verpasste. Bei den IAAF World Relays 2014 auf den Bahamas siegte er in 38,53 s im B-Finale und anschließend gewann er bei den Europameisterschaften in Zürich in 20,30 s die Bronzemedaille hinter dem Briten Adam Gemili und Christophe Lemaitre aus Frankreich. Mit der ukrainischen Staffel schied er mit 39,03 s im Vorlauf aus. Daraufhin wurde er beim Continentalcup in Marrakesch in 20,37 s Fünfter über 200 Meter.