Lysenko palasi kilpailuun heinäkuussa 2009 ja voitti Venäjän mestaruuden 76,41 m:llä. Hän voitti kultaa vuoden 2010 IAAF Continental Cupissa ja sijoittui kolmanneksi IAAF Hammer Throw Challenge -kilpailussa vuoden lopussa. Vuonna 2011 hän voitti ensimmäisen maailmanmestaruutensa ensimmäisissä maailmanmestaruussarjoissa, joissa kolme parasta naista meni yli 75 metriä. Hän sai vasaranheiton.
Lontoon olympialaisten kultamitali 78,18 metrin heitteellä. Hän voitti vuoden 2013 maailmanmestaruuden maailman johtavalla 78,80 metrin heittämällä.