1941年6月22日，德國入侵蘇聯時，柳德米拉已經是24歲的基輔國立大學主修歷史的學生了。和許多同學壹樣，柳德米拉報名參加了紅軍，她近乎標準的女軍人儀表贏得了招兵官員的親睞，但是她卻表示希望拿起壹支步槍到前線直接打擊敵人。招兵軍官笑了起來，問她知道多少關於步槍的知識。柳德米拉馬上熟練的操起了瞄準的架勢。但是軍官仍然試圖勸說柳德米拉作壹個戰地護士。但是被柳德米拉沒有商量余地的拒絕了。最終，柳德米拉參加了紅軍，到25步兵師做了壹名步槍射手。
1941年8月，第25步兵師奉命保衛壹個位於巴亞耶夫卡附近Belyayevka極具價值的山頭。在巴亞耶夫卡附近的壹個村落，柳德米拉獲得了她的頭2個戰果。柳德米拉和壹個觀察兵壹道活動，武器是1支帶P.E.4瞄準具的莫辛-那甘1891/30 7.62毫米狙擊步槍。這種5發彈倉的步槍的初速是2800英尺/秒，有效射程超過600碼，是當時最好的狙擊步槍之壹。在敖德薩作戰的2個半月裏，柳德米拉壹***打死了187個敵人。當敖德薩確實已無法堅守時，蘇軍獨立瀕海集群撤往塞瓦斯托波爾。在接下來的殘酷戰鬥中，柳德米拉於1942年6月被德軍迫擊炮彈炸傷。根據最高統帥斯大林本人的命令，柳德米拉乘潛艇撤離塞瓦斯托波爾。到這時，她的戰果已達驚人的309個。
柳德米拉隨即被塑造為壹個了不起的女英雄。在不到壹個月的時間後，柳德米拉訪問了美國，成為第壹個被羅斯福總統接見的蘇聯公民。隨後柳德米拉在美洲繼續訪問，她來到加拿大，在演講裏講述自己的經歷。回國後，晉升近衛軍少校的柳德米拉從未參加戰鬥。1943年10月25日，她被授予蘇聯英雄的榮譽稱號和金星勛章。
戰後的1945--1953年間，她在蘇聯海軍供職，並晉升海軍少將軍銜。1976年，以她為主題，蘇聯發行了壹枚紀念郵票。柳德米拉從海軍退役後，又在蘇聯軍事支援輔助委員會供職。1974年10與10日，柳德米拉·米哈伊爾洛夫娜·帕夫利琴科不幸逝世，年僅58歲，被安葬在莫斯科的Novodevichiye公墓。