Lysenko keerde in juli 2009 terug naar de competitie en won de Russische titel met 76,41 m. Ze won het goud op de 2010 IAAF Continental Cup en werd derde in de inaugurale IAAF Hammer Throw Challenge aan het einde van het jaar, met een gecombineerde score van 223,96 meter voor haar drie beste worpen. In 2011 won ze haar eerste wereldkampioenschap op de eerste wereldkampioenschappen waar de top drie vrouwen allemaal meer dan 75 m gingen. Ze kreeg de hamerworp.
Gouden medaille op de Olympische Spelen van 2012 in Londen met een worp van 78,18 m. Ze won het Wereldkampioenschap 2013 met een werp van 78,80 m.