Под командованием Екатерины Ивановны самолёты 5-й эскадрильи уничтожили 20 автомобилей, 45 танков и батальон пехоты.

В тот сентябрьский день 1941 года старший лейтенант Зеленко совершила два разведывательных вылета. Уставшая после полётов, она могла отправиться отдыхать, но узнала о серьёзной угрозе: немцы стягивали танки у города Лохвица Полтавской области. Не раздумывая ни минуты, Екатерина уговорила командование вылететь на бомбардировку вражеских сил. В качестве штурмана-бортстрелка с ней отправился лейтенант Павлык; вторым самолётом управлял капитан Лебедев.

После выполнения задания пара Су-2 возвращалась домой, когда неожиданно столкнулась с семью немецкими истребителями Me‑109. Завязался неравный бой. Самолёт капитана Лебедева был повреждён и вышел из боя. Бортстрелок лейтенант Павлык расстрелял весь боезапас, и Екатерина Ивановна приказала ему покинуть машину. Больше свою командиршу он не видел.

Оставшись одна против нескольких «мессеров», Зеленко пошла на таран. Своим винтом она врубилась в крыло одного из немецких самолётов, после чего попыталась совершить аварийную посадку. Но тут же другой немецкий истребитель настиг её повреждённый самолёт и расстрелял в упор. Машина рухнула неподалёку от села Анастасьевка Сумской области.

Обстоятельства гибели лётчицы никто из командования авиаполка не знал, поскольку вскоре территорию заняли немецкие войска. За предыдущие боевые заслуги Екатерину Зеленко представили к званию Героя Советского Союза, однако командование ограничилось награждением орденом Ленина.

Лишь спустя годы после войны стало известно о последних минутах жизни Екатерины Ивановны. Свидетелями последнего боя были местные жители, которые и похоронили отважного пилота. Однополчане продолжили добиваться более высокой награды для своей боевой подруги, и их настойчивость в конце концов дала плоды: 5 мая 1990 года Екатерине Зеленко посмертно было присвоено звание Героя Советского Союза.

Уже после награждения, в наше время, некоторые исследователи оспаривают факт подвига лётчицы (воздушный таран), но исчерпывающих доказательств тому привести не могут. Одно известно точно: Екатерина Ивановна Зеленко сражалась до последнего и погибла в борьбе с врагом, защищая Родину.