2001 wurde Ljubomyr Polatajko gemeinsam mit Serhij Tschernjawskyj, Oleksandr Fedenko und Oleksandr Symonenko in Antwerpen Weltmeister in der Mannschaftsverfolgung. 2002 gewann er beim Lauf des Bahnrad-Weltcups in Moskau das Scratch-Rennen. Im Jahr darauf gewann er bei der Omnium-Europameisterschaft die Silbermedaille. Bei den UCI-Bahn-Weltmeisterschaften 2006 in Bordeaux gewann er gemeinsam mit Wolodymyr Djudja, Mychajlo Kononenko und Maxym Polischtschuk die Bronzemedaille in der Mannschaftsverfolgung und zusammen mit Wolodymyr Rybin die Silbermedaille im Zweier-Mannschaftsfahren. 2007 wurde er bei den Bahn-Weltmeisterschaften in Palma mit dem ukrainischen Nationalteam Zweiter in der Mannschaftsverfolgung.