La soldat Pavlitxenko va lluitar aproximadament dos mesos i mig prop d’Odesa, on va aconseguir 187 morts. Quan els alemanys van obtenir el control de la zona, la seva unitat va ser retirada per a ser enviada a Sebastòpol, a la Península de Crimea. Al maig de 1942, la tinent Pavlitxenko va ser esmentada pel consell de l'Exèrcit Soviètic del Sud a causa dels seus 257 alemanys abatuts. El seu total de morts confirmades durant la Segona Guerra Mundial va anar de 309, incloent-hi a 36 franctiradors enemics. Pavlitxenko va trobar el quadern de bitàcola d'un dels franctiradors alemanys que havia abatut. Aquest havia tret la vida a més de 500 soldats soviètics.
Al juny de 1942, Pavlitxenko va ser ferida per foc de morter. Donada la seva condició d'heroïna, va ser retirada del front menys d'un mes després de recuperar-se de les seves ferides. Va ser enviada a Canadà i als Estats Units per a una visita de propaganda, i es va convertir en el primer ciutadà soviètic a ser rebut per un President dels Estats Units. Franklin D. Roosevelt i la seva esposa la van rebre a la Casa Blanca. Més tard, Eleanor Roosevelt la va convidar a recórrer els Estats Units relatant les seves experiències. Va aparèixer abans en l'Assemblea Internacional d'Estudiants, que va tenir lloc a Washington DC, sent rebuda com una heroïna. Més tard va assistir a reunions en el Congrés d'Organitzacions Industrials, i va realitzar aparicions i discursos a Nova York. Al Canadà, va ser obsequiada amb un rifle Winchester amb mira òptica, el qual s'exhibeix avui en el Museu Central de les Forces Armades a Moscou.
Havent arribat al rang de comandant, Pavlitxenko mai va retornar al capdavant, sinó que, com instructora, va entrenar a centenars de franctiradors soviètics abans de la fi de la guerra. Al 1943 va rebre l'Estrella d'Or d'Heroi de la Unió Soviètica. Després de la guerra, va acabar la seva formació a la Universitat de Kíev i va començar la seva carrera com historiadora. Entre el 1945 i el 1953 va ser ajudant de la Caserna General Principal de l'Armada Soviètica (participant a més en un gran nombre de conferències i congressos internacionals). Més tard, va ser membre actiu del Comitè Soviètic de Veterans de Guerra.
Liudmila Pavlitxenko està enterrada al cementiri de Novodévitxi, a Moscou.