Родился 30 сентября 2001 года в г. Исилькуле Омской области. Учился в МБОУ «Новопервомайская средняя общеобразовательная школа» в селе Новопервомайское Татарского района Новосибирской области. В 2017 году поступил учиться в Омский колледж по специальности «Газоэлектросварщик». Окончив учебное заведение, работал по специальности вахтовым методом.

29 апреля 2022 года ушёл в зону СВО добровольцем. Сначала была учебка в Ростове-на-Дону, затем службу проходил в г. Луганске.

15 июля 2023 года Белеменко Антон Сергеевич героически погиб при исполнении воинского долга в ходе специальной военной операции на Украине.

Указом Президента РФ за доблесть, отвагу и самоотверженность, проявленную в ходе проведения СВО, награждён посмертно орденом Мужества и медалью «За отвагу».

Похоронен на кладбище в д. Николайполь Исилькульского района Омской области.