1941年8月，第25步兵师奉命保卫一个位于巴亚耶夫卡附近极具战略意义的山头。在巴亚耶夫卡附近的一个村落，柳德米拉获得了她的头两个战果。柳德米拉和一个观察兵一道活动，武器是一支带P.E.4瞄准具的莫辛——纳甘1891/30 7.62毫米口径狙击步枪。这种5发的步枪的初速是840米/秒，有效射程超过549米，是当时最好的狙击步枪之一。在敖德萨作战的2个半月里，柳德米拉一共打死了187个敌人。当敖德萨已无法坚守时，苏军集群撤往塞瓦斯托波尔。在接下来的残酷战斗中，柳德米拉于1942年6月被德军迫击炮弹炸伤。根据最高统帅斯大林本人的命令，柳德米拉乘潜艇撤离塞瓦斯托波尔。到这时，她的战果已达惊人的309个。
柳德米拉随即被塑造为一个了不起的女英雄。在不到一个月的时间后，柳德米拉访问了美国，成为第一个被罗斯福总统接见的苏联公民。随后柳德米拉在美洲继续访问，她来到加拿大，在演讲里讲述自己的经历。回国后，晋升为近卫军少校的柳德米拉从未参加战斗。1943年10月25日，她被授予苏联英雄的荣誉称号和金星勋章。
战后的1945至1953年间，她在苏联海军供职，并被授予海军少将军衔。柳德米拉从海军退役后，又在苏联军事支援辅助委员会供职。1974年10月10日，柳德米拉·米哈伊尔洛夫娜·帕夫利琴科不幸逝世，年仅58岁，被安葬在莫斯科的Novodevichiye公墓。
墓碑上镌刻着女狙击英雄柳德米拉生前最喜欢的诗句——痛苦如此持久，像蜗牛充满耐心地移动；快乐如此短暂，像兔子的尾巴掠过秋天的草原。
为了纪念她在苏联卫国战争时期的卓越表现，苏联在1976年发行了一枚以柳德米拉为主题的纪念邮票，邮票上的柳德米拉勇敢美丽、英姿飒爽，不禁使人联想起这位女狙击手盛年之时，是如何在枪林弹雨中英勇杀敌。
柳德米拉·米哈伊尔洛夫娜·帕夫利琴科这位苏联人民的女儿，将自己最美丽的青春年华献给了可爱的祖国，苏联人民将永远铭记她，世界各地热爱和平的人们也会将无尽的敬佩献给她。
