En équipe nationale, Mikhaïlitchenko est sélectionné 41 fois, marquant neuf buts pour l'URSS. Il remporte ainsi la médaille d'or aux Jeux olympiques d'été de 1988, et fait partie de l'équipe soviétique finaliste de l'Euro 1988. Il dispute également l'Euro 1992 mais des blessures le privent du "Mondiale" italien. Mikhaïlitchenko joue également deux fois pour l'Ukraine. Il a été le capitaine de l'équipe de CEI qui a été éliminée au de l'Euro 1992