Lysenko volveu á competición en xullo de 2009, gañando o título ruso con 76,41 m. Gañou o ouro na Copa Continental da IAAF de 2010 e ocupou o terceiro lugar no Desafío de Lanzamento de Martillo da IAAF inaugural ao final do ano, cunha puntuación combinada de 223,96 metros para os seus tres mellores lanzamentos. En 2011, gañou o seu primeiro campionato mundial nos primeiros campionatos do mundo onde as tres primeiras mulleres foron máis de 75 m. Foi premiada co lanzamento do martelo.
Medalla de ouro nos Xogos Olímpicos de Londres de 2012 cun lanzo de 78,18 m. Gañou o Campionato do Mundo de 2013 cun lanzamento líder mundial de 78,80 m.