1959-1961 гг. - бетонщик строительного комбината Киевского облстройтреста, служба в армии, мастер цеха сборного железобетона того же стройкомбината.
1961-1980 гг. - мастер, замначальника цеха, начальник цеха, затем - отдела, главный инженер, директор завода ЖБК №1 домостроительного комбината №1, главного инженера домостроительного комбината №1 "Главкиевгорстроя".
1980-1987 гг. - первый заместитель начальника - главный инженер "Главкиевгорстроя".
1987-1989 гг. - советник-консультант в Республике Афганистан.
1989 г. - главный инженер "Укрстроя" в Армянской ССР (во время восстановления населенных пунктов, разрушенных землетрясением).
1989-1990 гг. - начальник Управления стройиндустрии, промстройматериалов и стандартизации Госстроя УССР.
1990-1992 гг. - заместитель председателя исполкома Киевского горсовета народных депутатов.
1992-1994 гг. - генеральный директор ГКП "Киевреконструкция".
1994-1996 гг. - заместитель председателя, первый заместитель председателя Киевской городской государственной администрации.
С августа 1996 года - председатель Киевской городской государственной администрации.
С мая 1999 по апрель 2006 гг. - Киевский городской голова.
В 2001-2005 гг. Омельченко возглавлял созданную им же партию Единство. На парламентских выборах 2002-го его одноименный избирательный блок попытался "штурмовать" Верховную Раду, однако не дотянул до относительно невысокого проходного барьера.
В 2004-м был выдвинут однопартийцами на пост президента Украины, кампания проходила под слоганом "Сегодня - народный мэр, завтра - народный президент!". Набрал 0,48% голосов избирателей, намного меньше, чем на выигранных ранее выборах мэра столицы.
В 2006-м Омельченко баллотировался в столичные градоначальники, в надежде на поддержку киевлян не слишком много внимания уделяя избирательной кампании. В итоге неожиданно для себя занял лишь третье место, уступив почетному президенту "Правэкс-Банка" Леониду Черновецкому и Виталию Кличко, знаменитому боксеру-тяжеловесу, с которым до выборов его связывали дружеские отношения.
В 2007-м закончился поражением поход Блока Александра Омельченко за мандатами депутатов Киевсовета.
2007-2012 гг. - народный депутат Украины VI созыва, прошел в парламент по списку блока "Наша Украина - Народная самооборона" (по квоте Народной самообороны Юрия Луценко). Глава комитета ВР по вопросам государственного строительства и местного самоуправления.
Осенью 2012 года баллотировался в Верховную Раду VII созыва по одномандатному округу №220 в Киеве, однако за две недели до выборов подал в ЦИК заявление с просьбой снять его кандидатуру с регистрации.
С 1999 по 2006 года был президентом Ассоциации городов Украины.
