Уродженець Черкас у ранньому віці потрапив до структури «Динамо» і в ДЮФЛУ виступав виключно за киян. Провів 85 матчів, забив 5 голів.

Ще до випуску з динамівської академії в 2016 році дебютував за юнацьку команду «Динамо». Цей дебют відбувся 29-го травня 2016 року в матчі 30-го туру «Динамо» - «Іллічівець» та співпав із 17-м днем народження Віталія.

У сезоні 2016/17 Миколенко став основним гравцем «Динамо» U19, зігравши 21 матч і забивши один м'яч.

20-го серпня 2017 року дебютував за першу команду «Динамо» в матчі чемпіонату України проти «Сталі», вийшовши на 7-й хвилині на заміну замість травмованого Йосипа Піварича.

Із часом Віталій завоював місце в основному складі команди та став незамінним на лівому фланзі оборони «Динамо». У сезоні 2018/2019 Миколенка було визнано найкращим молодим гравцем чемпіонату України. Того ж сезону динамівець зіграв 23 матчі у чемпіонаті України, а також 8 - у Лізі Європи, де відкрив рахунок своїм голам за «біло-синіх». У домашньому поєдинку Ліги Європи проти «Ренна» Віталій допоміг команді здобути перемогу 3:1, забивши головою після подачі штрафного.

Не дивно, що скоро його викликали до національної збірної України. Дебютував за головну команду країни наш захисник 20 листопада 2018 року в матчі проти Туреччини, який завершився з рахунком 0:0. 22 березня 2019 року Миколенко вийшов в основному складі на матч проти національної команди Португалії, в якому надійно зіграв проти Кріштіану Роналду. Матч також завершився з рахунком 0:0.

У сезоні 2019/20 Віталій провів за «Динамо» 36 матчів у всіх турнірах, відзначившись чотирма голами, та у складі киян став володарем Кубка України. У зв'язку з епідемією травм, з якою команда зіткнулася на початку наступного сезону, Миколенку довелося проявити свій універсалізм, граючи на позиції, на якій він виступав на юнацькому рівні - у центрі оборони.

19 вересня 2020 року в домашній зустрічі зі «Львовом» (3:1) Віталій вперше вивів «Динамо» на поле з капітанською пов'язкою, ставши другим наймолодшим капітаном киян у матчах чемпіонату України. На той момент гравцеві виповнився 21 рік і 113 днів.