Начал свою профессиональную карьеру в 1993 году в составе клуба Хоккейной лиги Онтарио «Норт-Бэй Сентенниалс», выступая до этого за фарм-клуб родного челябинского «Трактора». В следующем году на драфте НХЛ он был выбран в 3 раунде под общим 59 номером клубом «Лос Анджелес Кингз». В своём первом же сезоне за океаном стал лучшим новичком Канадской хоккейной лиги, попав помимо этого в символическую сборную лиги, и завоевав несколько других личных наград. За 149 матчей, проведённых в OHL, набрал 259 (128+131) очков, чем заслужил вызов в НХЛ.
 
В своём первом сезоне в главной североамериканской лиге выступал в составе «королей» в одном звене с Уэйном Грецки и Дмитрием Христичем, набрав 53 (19+34) очка в 80 проведённых матчах. В Лос Анджелесе выступал до 1998 года, после чего подписал контракт с новичком лиги «Нэшвиллом». В составе «хищников» продолжал выступления до 2003 года. Всего за карьеру в НХЛ Виталий набрал 216 (83+133) очков в 487 матчах.
 
Перед началом сезона 2003/04 вернулся в Россию, заключив соглашение с хабаровским «Амуром». В 2004 году перешёл в казанский «Ак Барс», после чего подписал контракт с омским «Авангардом», с которым в последующие два сезона сумел завоевать серебряные и бронзовые медали российского первенства. 16 мая 2007 года Ячменёв принял решение подписать однолетний контракт с московским «Динамо». По окончании сезона Виталий продлил своё соглашение с клубом, после чего был назначен капитаном «бело-голубых».
 
18 июля 2010 года решил вернуться в родной Челябинск, заключив однолетнее соглашение с «Трактором», тренерский штаб которого также назначил его капитаном команды. В сезоне 2010/11 Виталий провёл в составе «Трактора» 43 матча, в которых он набрал 16 (4+12) очков, однако сразу после окончания сезона он покинул клуб, а уже 22 октября 2011 года подписал контракт с чемпионом ВХЛ тюменским «Рубином».
 
В составе сборной России Виталий Ячменёв принимал участие в юниорском чемпионате Европы 1993 года в Польше, а также в чемпионате мира среди молодёжи 1995 года, который проходил в Канаде. На обоих турнирах Виталий становился серебряным призёром. На взрослом уровне карьера в сборной у Ячменёва не задалась. Единственный раз он вызывался в сборную для участия в одном из этапов Еврохоккейтура в сезоне 2003/04.

Клубы:
Норт-Бэй Сентенниалс (1993—1995)
Финикс Роудраннерз (1995)
Лос Анджелес Кингз (1995—1998)
Лонг Бич Айс Догз (1997—1998)
Нэшвилл Предэйторз (1998—2003)
Милуоки Эдмиралс (1999)
Амур (2003—2004)
Ак Барс (2004—2005)
Авангард (2005—2007)
Динамо Москва (2007—2010)
Трактор (2010—2011)
Рубин (2011—н.в.)