1941年6月22日,納粹德國按照「巴巴羅薩計劃」對蘇聯發動突然襲擊,蘇德戰爭爆發。此時,24歲的帕夫利琴科正在基輔大學研讀歷史。她隨即報名參軍,獲選為步兵隊成員,加入蘇聯紅軍第25步兵師,紅軍軍官本來想讓帕夫利琴科擔任戰地護士,但帕夫利琴科對此明確拒絕,終於成為紅軍2000名女性狙擊手中的一員。
1941年8月,第25步兵師奉命保衛在別利亞耶夫卡附近的高地。在附近的一個村落,帕夫利琴科取得最初的戰果,她使用一支帶P.E.4瞄準鏡的莫辛-那甘7.62毫米狙擊步槍,擊斃了兩名敵軍。
此後的兩個半月,帕夫利琴科隨軍在敖德薩與德軍及羅馬尼亞軍作戰,期間打死187個敵人。
羅馬尼亞軍攻占敖德薩之後,蘇軍撤往克里米亞的塞瓦斯托波爾。帕夫利琴科在此戰鬥了八個月,經歷了塞瓦斯托波圍城戰。
到1942年5月,帕夫利琴科擊斃257名敵軍士兵的戰績已經引起蘇軍的注意,並得到廣泛宣傳。次月,帕夫利琴科被迫擊炮擊傷。由於蘇軍對其高度重視,在其傷好之後,即離開戰鬥部隊。
最終,帕夫利琴科在二戰中斃敵人數為309名,其中包括36名敵軍狙擊手。
1942年下半年,蘇聯政府安排帕夫利琴科訪問加拿大和美國,宣傳其戰爭事跡。在白宮,她得到富蘭克林·羅斯福的接見,成為美國總統接見的第一位蘇聯公民。
1942年,帕夫利琴科在美國白宮內與總統夫人埃莉諾·羅斯福。
帕夫利琴科的軍階為少校。回到蘇聯,她繼續為紅軍培養和訓練狙擊手,直至戰爭結束。[3]1943年,她榮獲蘇聯英雄的金星獎章。
二戰結束後,帕夫利琴科完成了在基輔大學的學習,成為一名歷史學者。1945至1953年間,在蘇聯海軍總部擔任助理。
此後,加入蘇維埃戰爭老兵委員會。1974年10月10日,帕夫利琴科在莫斯科病逝,享年58歲,埋葬在莫斯科新聖女公墓。