Serhiy Fesenko remporte de nombreuses médailles internationales entre 1977 et 1983.
Il est champion olympique du 200 mètres papillon et vice-champion olympique du 400 mètres quatre nages aux Jeux olympiques de 1980 à Moscou[1].
Fesenko compte quatre médailles aux championnats d'Europe de natation. Il est double champion d'Europe de 400 mètres quatre nages (1977 et 1981), vice-champion d'Europe de 200 mètres papillon en 1983 et médaillé de bronze en 1981.