Saat Hitler melancarkan Operasi Barbarossa dan Wehrmacht mulai menginvasi Uni Soviet, Pavlichenko langsung mendaftarkan diri ke kantor perekrutan militer di Odessa.
Sempat diminta untuk menjadi perawat, Pavlichenko teguh untuk bergabung dengan infanteri Soviet. Benar saja, ia berhasil membuktikan membuktikan diri sebagai tentara yang tangguh.Pavlichenko menjadi 1 dari 2 ribu penembak jitu yang ditugaskan Soviet. Ia menjadi salah satu orang dari 500 yang selamat.
Lyudmila Pavlichenko merupakan tentara perempuan paling sukses sepanjang sejarah karena telah terkonfirmasi membunuh 309 musuh seorang diri dengan senjatanya. Pavlichenko meninggal dunia pada 10 Oktober 1974 karena menderita stroke.