Lysenko vendte tilbage til konkurrencen i juli 2009 og vandt den russiske titel med 76,41 m. Hun vandt guld i 2010 IAAF Continental Cup og placeret tredje i den indledende IAAF Hammer Throw Challenge i slutningen af året, med en samlet score på 223,96 meter for sine tre bedste kast. I 2011 vandt hun sit første verdensmesterskab i de første verdensmesterskaber, hvor de tre bedste kvinder alle gik over 75 m. Hun blev tildelt
guldmedalje i hammerkast ved OL i London 2012 med et kast på 78,18 m. Hun vandt verdensmesterskabet i 2013 med et verdensførende kast på 78,80 m.