Регалии: Заслуженный мастер спорта; олимпийский чемпион (1996) в командном первенстве; серебряный (1994) и бронзовый (1997) призер чемпионатов мира в командном первенстве; победитель и двукратный бронзовый призер Игр Доброй воли (1994); чемпион Европы (1996) в командном первенстве; 2-кратный серебряный призер чемпионата Европы (1994) в командном первенстве и в вольных упражнениях.
Родился 12 ноября 1975 года в Черкесске, Карачаево-Черкесия (Россия).
Дмитрий Василенко начал заниматься гимнастикой случайно. В дом, где жил будущий олимпийский чемпион, переехал тренер Александр Кудинов. Он и заметил мальчишку, обладающего удивительной способностью лазить по деревьям.
В 15 лет Василенко стал победителем проходившего в Греции молодежного первенства Европы, а затем завоевал три медали на аналогичном первенстве мира в Японии.
Прорывом на взрослый уровень стал для Василенко 1994 год, когда он занял третье место на чемпионате России в личном многоборье, а затем завоевал вместе с российской сборной золото Игр Доброй воли, серебро чемпионата мира и серебро чемпионата Европы, став к тому же серебряным призером чемпионата континента в своем коронном виде программы, в вольных упражнениях.
На Играх-1996 в Атланте Россия впервые выступила на Олимпиаде отдельной командой. Здесь в индивидуальных видах программы блистал ровесник Дмитрия Василенко Алексей Немов. Он был настоящим лидером сборной, сумевшей выиграть командное первенство. Василенко внес свой вклад в общую копилку, а в индивидуальном зачете успешнее всего выступил в вольных упражнениях (7 место).
После Олимпиады-1996 Дмитрий отправился по контракту в один из французских гимнастических клубов. Вернувшись в Россию в 1998-м, начал готовиться к Играм-2000, но в Сидней отправился только в качестве запасного.
Затем Василенко снова работал во Франции, в 2005-м совмещал функции тренера и действующего спортсмена, а в 2008-м врачи диагностировали у него боковой амиотрофический склероз. Болезнь быстро прогрессировала, Дмитрию пришлось сначала пересесть в инвалидную коляску, а затем он полностью потерял способность двигаться.
Скончался 4 ноября 2019 года.