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.