Haziran 1941'de, 24 yaşında Kiev Üniversitesi'nde Tarih bölümünde 4. Sınıfta okumaktayken, Nazi Almanya’sının Sovyetler Birliği'ne işgali başladığında ilk gönüllülerin arasında yer aldı.

Bir keskin nişancı olarak, 3.5 teleskobik görme ile Tokarev SVT-40 yarı otomatik tüfek kullanarak, Belyayevka yakınında ilk iki düşman askeri öldürerek görevine başladı.

Pavliçenko, Odessa yakınlarında yaklaşık iki buçuk ay savaştı ve 187 düşman askerini öldürdüğü kaydedildi. Rumenler, Odessa'nın kontrolü kazandığında, onun birimi Kırım Yarımadası'ndaki Sivastopol'a gönderilmek üzere çekildi ve daha 8 ay boyunca savaştı. Mayıs 1942'de Teğmen Pavliçenko, 257 Alman askerini öldürerek Güney Ordu Konseyi tarafından gösterildi.

Haziran 1942'de, Pavliçenko havan ateşiyle yaralandı. Büyüyen yarasından kurtarıldıktan sonra bir aydan kısa bir süre savaştan çekildi.

Pavliçenko, Ağustos 1942'de bir tanıtım ziyareti için Kanada ve Amerika Birleşik Devletleri'ne gönderildi ve Başkan Franklin Roosevelt, kendisini Beyaz Saray'da karşıladı. Böylece Pavliçenko bir ABD Başkanı tarafından kabul edilen ilk Sovyet vatandaşı oldu.

Savaş alanına inmese de kendisi, sonraki zamanlarda Sovyetler tarafından ABD'ye ziyaretlere gönderilerek destek çağrısı yapması için görevlendirildi. Beyaz Saray'a kabul edilen ilk Sovyet vatandaşı oldu, ABD'nin 43 şehrinde konuşmalar yaptı. Charlie Chaplin tarafından 'Bu küçük ve narin ellerin yüzlerce Nazi askerini öldürmüş olması inanılmaz' sözleri eşliğinde tüm parmakları tek tek öpüldü. Amerika Birleşik Devletleri ona bir Colt otomatik tabanca, Kanada ise Winchester marka tüfek verdi. Bu silahlar günümüzde Moskova'daki Merkez Silahlı Kuvvetler Müzesi'nde sergilenmektedir.

İngiltere'ye ziyareti

21 Kasım 1942 tarihinde Teğmen Pavliçenko, Birleşik Krallık'ın Coventry kentine giderek. Coventry Katedralini ziyaret etti. Sonra o günün erken saatlerinde bir Birmingham fabrikasını teftiş etti.

Pavliçenko, Binbaşı rütbesine ulaşmış olarak muharebeye geri döndü ama savaşın sonuna kadar bir eğitmen olarak Sovyet keskin nişancılarını eğitti. 1943 yılında Sovyetler Birliği Kahramanı madalyası'nın Altın Yıldız madalyası verildi ve bir Sovyet posta pulu üzerinde fotoğrafı basıldı.

1945'te savaş bitince, Kiev Üniversitesi'ne geri dönüp tarih alanında doktorasını tamamlayarak hayatının geri kalanına bir tarihçi olarak devam etti. 1974'te ise doğal sebeplerle, 58 yaşında hayata gözlerini yumdu. Ölümünün ardından, orduda tanışıp evlendiği Leonid Kitsenko'nun öldüğü yere yakın olan bir Sivastopol sokağına, ismi verildi.

2 Nisan 2015'te vizyona giren 'Bitva za Sevastopol' (Battle for Sevastopol) adlı filmde hayatı anlatılmaktadır.