وتم إرسال زيلينكو إلى لواء خاركوف الجوي الـ19 للقاذفات الخفيفة. خلال خدمتها في اللواء، أتقنت قيادة سبعة أنواع من الطائرات المقاتلة، وشاركت في رحلات تجريبية.
في نوفمبر 1939، تم نقل زيلينكو مع طيارين آخرين من لواء خاركوف إلى لينينغراد للمشاركة في الحرب السوفيتية الفنلندية آنذاك. هناك خدمت في فوج القاذفات الخفيفة الحادي عشر في الجيش الجوي الثامن للقوات الجوية التابعة للجيش الأحمر.
ونفذت زيلينكو طلعات جوية قتالية، تمكنت خلالها من قصف مستودع للذخيرة، وكذلك تدمير بطارية مدفعية فنلندية. لأدائها حصلت على وسام الراية الحمراء.
وعينت زيلينكو إبان الحرب الوطنية العظمى كنائب لقائد السرب الخامس من نفس الفوج. قاتلت على الجبهة الجنوبية الغربية ، وشاركت في 12 معركة جوية. خلال تلك الفترة ، كان أكبر انتصار لها هو هزيمة رتل مكون من 45 دبابة ألمانية و 20 مركبة وكتيبة مشاة ، وقادت خلالها أعمال مجموعة من القاذفات. عادت المجموعة بأكملها من الطلعة الجوية دون خسارة.
وفي أحدى المعارك، أسقطت طائرتها لكنها لم تصب بأذى وعادت للخدمة من جديد في صفوف الجيش الأحمر.
وبينما كانت تقود مقاتلة من طراز "سو-2" تعرضت للهجوم من قبل سرب طائرات ألمانية من طراز "Me-109s". تمكنت من إسقاط أحداهما بنيران المدافع الرشاشة، وعندما نفدت الذخيرة اصطدمت بطائرة العدو ودمرتها. فارقت الحياة بعمر 24 عاما. من أجل هذا العمل الفذ، حصلت إيكاترينا زيلينكو بعد وفاتها على وسام لينين، وفي عام 1990 حصلت على لقب بطل الاتحاد السوفيتي.