Lysenko va tornar a la competició el juliol de 2009, aconseguint el títol rus amb 76,41 m. Va guanyar l'or a la Copa Continental de la IAAF de 2010 i va ocupar el tercer lloc a la primera edició de l'IAAF Hammer Throw Challenge al final de l'any, amb una puntuació combinada de 223,96 metres pels seus tres millors llançaments. El 2011, va guanyar el seu primer campionat del món en els primers campionats del món on les tres primeres dones van superar els 75 metres. Va ser premiada amb el llançament de martell.
Medalla d'or en els Jocs Olímpics de Londres 2012 amb un llançament de 78,18 m. Va guanyar el Campionat del Món de 2013 amb un llançament líder mundial de 78,80 m.