1 августа 1941 года Василенко назначается командиром формирующейся в районе Чебаркуля (Челябинская область) 369-й стрелковой дивизии. 15 сентября того же года Василенко возглавил 136-ю стрелковую дивизию (45-я армия, Закавказский ВО). В сентябре—декабре 1941 года дивизия Василенко воюет в Донбассе, участвовала в Донбасской оборонительной и Ростовской наступательной операциях. За три месяца непрерывных боев с 28 сентября по 31 декабря 1941 года части дивизии разбили 2-ю пехотную бригаду 1-го горнострелкового корпуса (Румыния), 1-ю горнострелковую дивизию вермахта, нанесли большие потери дивизии СС «Викинг», итальянской дивизии, 1-й мотодивизии, 14-й и 16-й танковым дивизиям 1-й немецкой танковой армии генерала фон Клейста. В декабре Василенко был произведён в полковники и награждён орденом Ленина.