機体全体を飛行機型にすることで、滑走路に着陸することができる。また機体構成によっては離陸も水平に行うことで、通常の航空機と同様に空港から運行することが可能となり、前述のとおりスペースプレーンと呼ばれる。しかし、機体形状の制約が大きく、翼など宇宙機としては不要な装備が増えるなど、重量の面では不利である。
従来の使い捨てロケットのような金属材料だけでは、SSTOに要求される軽量化を達成することは困難と考えられている。大気圏再突入や着陸のため複雑な形状を強いられることにより、重量軽減はさらに困難になる。近年の航空機に用いられている複合材料の採用はSSTOにも欠かせないが、航空機とは適用範囲が大きく異なる。まず、航空機では機体外板にも多く適用されるが、SSTOは大気圏再突入の熱に晒されるため、このような部分に樹脂系複合材料を用いることはできない。従って、複合材料で軽量化を図るには、主要構造への適用が必須となる。SSTOの機体は推進剤タンクが大半を占めるが、軽量化のためにはタンク自体が主要構造を兼ねることになる。しかし、タンクに複合材料を使用した場合、液体推進剤は極低温であるため、樹脂の弾性を損なう。また液体水素は分子量が小さいため、樹脂製タンクを透過して漏れてしまう。このため、樹脂と金属を張り合わせる方法が研究されている。なお、エンジンや断熱材、その他の装備品の軽量化も、当然に必要である。
原子力を利用したり（オリオン計画）、機体外部からレーザーなどのエネルギーを受けて、高い推力と高い比推力の両方を実現すれば、SSTOの実現は容易になる。これらのエンジンはアイデアの域を出ておらず、本格的な研究は行われていないが、SFにおいてはこのようなエンジンを搭載したスペースプレーンがしばしば登場する。逆に、このようなエンジンが実現しなければ、SSTOの実用化は不可能であると考える者もいる。
プロ転向発表後アメリカに渡り、ボブ・アラムのトップランクと契約を交わした。同じ北京オリンピックとロンドンオリンピックのライトフライ級部門で金メダルを獲得した鄒市明とロンドンオリンピックミドル級部門金メダリスト村田諒太が所属しているプロモーターと契約を交わしたことで話題を集めた。さらにセルゲイ・コバレフなどロシアの有力プロボクサーを多数擁するマネージャーのエグリス・クリマスと契約を交わした。2013年10月12日、ラスベガストーマス&マック・センターでファン・マヌエル・マルケスVSティモシー・ブラッドリーの前座にてWBO世界同級6位でWBOインターナショナルフェザー級王者のホセ・ラミレスとデビュー戦で対戦した。試合は初回1分過ぎに左ボディショットで最初のダウンを奪いペースを握ると、2回、3回とフックと連打でラミレスを劣勢に追い込み、4回左ボディショットが2発当たるとラミレスは転がり込んでダウン。レフェリーはカウントするも悶絶したラミレスを見てカウントを途中でストップ。4回2分59秒KO勝ちを収め王座獲得と同時にWBOフェザー級5位にランクインした。2014年3月1日、テキサス州サンアントニオのアラモドームにてフリオ・セサール・チャベス・ジュニア対ブライアン・ベラの前座でWBO世界フェザー級王者オルランド・サリドと対戦。史上最短となるプロ2戦目での王座獲得を目指したが、AIBAが立ち上げたプロボクシングの国際大会であるワールド・シリーズ・オブ・ボクシングで6試合を行っているため、アメリカの公式記録では8戦目と記録されていた。試合は前日計量でサリドが体重超過で王座を剥奪されたため、ロマチェンコが勝った場合のみ王座獲得という変則ルールで行われ、12回1-2(115-113、113-115、112-116)の判定負けでプロ初黒星と同時に王座獲得に失敗した。2014年3月20日、WBOが指名挑戦者のゲーリー・ラッセル・ジュニアとWBO世界フェザー級5位のワシル･ロマチェンコにWBO世界フェザー級王座決定戦の交渉を30日以内に完了させるか入札を行うよう指令を出した。2014年6月21日、カリフォルニア州カーソンのスタブハブ・センター・テニスコートにてロバート・ゲレーロVS亀海喜寛の前座で、オルランド・サリドの王座剥奪に伴い空位となったWBO世界フェザー級王座決定戦でWBO世界フェザー級1位のゲーリー・ラッセル・ジュニアと対戦し、12回2-0（114-114、2者が116-112）の判定勝ちを収めプロ最短タイとなる3戦目での王座獲得に成功した。7月14日、WBOはロマチェンコを2014年7月度の月間MVPに選出した。2014年11月22日、マカオのザ・ベネチアン・マカオにあるコタイ・アリーナでマニー・パッキャオ対クリス・アルギエリの前座でWBOアジア太平洋フェザー級王者でWBO世界フェザー級1位のチョンラターン・ピリヤピンヨーと指名試合を行い、4回にチョンラターンからダウンを奪うも、その後は右拳を負傷し手て仕留められなかったが多彩なテクニックを披露して12回3-0（3者とも120-107）の大差判定勝ちを収め初防衛に成功した。2015年5月2日、MGMグランド・ガーデン・アリーナでフロイド・メイウェザー・ジュニアVSマニー・パッキャオの前座でWBO世界フェザー級1位でNABO北米フェザー級王者ガマリエル・ロドリゲスと2試合連続の指名試合を行い、KO負けがなかったロドリゲスにボディフック一撃で悶絶KOを奪い試合終了。9回55秒KO勝ちを収め2度目の防衛に成功した。2015年11月7日、ラスベガストーマス&マック・センターでティモシー・ブラッドリーVSブランドン・リオスの前座でロムロ・コアシチャと対戦しボディフックで悶絶KOを奪い10回2分35秒KO勝ちで3度目の防衛に成功した。