Сразу после начала Великой Отечественной Павличенко ушла на фронт. Пройдя краткосрочные снайперские курсы, она стала бойцом 25-й Чапаевской стрелковой дивизии РККА, которую направили на приграничные сражения. Павличенко воевала в Молдавии, участвовала в обороне Одессы и Севастополя, где в конце 1941 года познакомилась с младшим лейтенантом Леонидом Киценко. Он тоже был снайпером. Пару начали отправлять на задания. Но фронтовой роман окончился трагически. Лишь Кищенко успел подать командованию рапорт о заключении брака с Павличенко, он был смертельно ранен на поле боя. К июню 1942 года на счету Людмилы Павличенко было 309 подтвержденных ликвидированных вражеских солдат и офицеров, в том числе тридцать шесть снайперов. Выживая в немыслимых условиях и неустанно сражаясь против фашистских оккупантов, она успевала передавать свое мастерство и опыт другим, обучая новых снайперов. После тяжелого ранения доблестного снайпера эвакуировали из находившегося в осаде Севастополя. Когда отозванная с передовой Людмила восстановила здоровье и силы, ее в составе советской молодежной делегации отправили в заокеанскую поездку. Во время визита в Канаду и Соединенные Штаты Павличенко пригласили на прием к американскому президенту Ф. Рузвельту. Лейтенанту Павличенко представилась возможность выступать перед Международной студенческой ассамблеей в Вашингтоне, перед Конгрессом промышленных организаций (CIO) в Нью-Йорке, а также в Чикаго, где она произнесла знаменитую фразу: «Джентльмены, мне 25 лет. На фронте я уже успела уничтожить 309 фашистских захватчиков. Не кажется ли вам, джентльмены, что вы слишком долго прячетесь за моей спиной?».
25 октября 1943 года Людмила Павличенко была удостоена звания Героя Советского Союза. На фронт она больше не вернулась. После войны окончила Киевский госуниверситет, работала в качестве научного сотрудника в Главном штабе ВМФ. Активно работала в Советском комитете ветеранов войны, издала книги «Героическая быль». Скончалась Людмила Михайловна Павличенко 27 октября 1974 года в Москве, была похоронена на Новодевичьем кладбище столицы. Память снайпера увековечена в названиях улиц Белой церкви, где родилась Павличенко, и Севастополе. В честь нее был назван корабль, спущенный на году в 1976 году, тогда же, к шестидесятилетию Героини, выпустили почтовую марку.