Lytwynenko spielte mit der ukrainischen Nationalmannschaften bei den C-Weltmeisterschaften 1993, 1994 und 1995, der B-Weltmeisterschaft 1998 sowie den A-Weltmeisterschaften 1999 und 2000. Nach der Umstellung auf das heutige Divisionensystem war er zunächst bei den Weltmeisterschaften der Top-Division 2001, 2003, 2004 und 2006 aktiv. Zudem trug er nach dem Abstieg 2007 das Nationaltrikot bei den Weltmeisterschaften der Division I in den Jahren 2008 und 2009. Im Jahr 2009 wurde er am Turnierende ins All-Star-Team gewählt. 2011 war er mit drei Toren und fünf Vorlagen zweitbester Scorer des Turniers hinter seinem Landsmann Oleksandr Materuchin. 2013 war er mit zwei Toren und acht Vorlagen gemeinsam mit seinem Landsmann Oleh Tymtschenko bester Scorer und zudem auch mit dem Litauer Daniel Bogdziul bester Vorbereiter des Turniers.