В Красной Армии с июля 1938г.

Окончил военное авиационное училище штурманов и летнабов.

Участвовал в боях на Западном фронте с 27 июня по 01 августа 1941г.

К марту 1942г. в составе 717 легкого бомбардировочного авиаполка (ночного). Полк имел на вооружении самолеты У-2. Командир полка капитан Алхимов Константин Пантелеевич. Действовал на Северо-Западном фронте в районах Старой Руссы и Демянска.

К началу мая 1942г. стрелок-бомбардир лейтенант Лысенко совершил 80 боевых вылетов ночью. Командиром 1 авиаэскадрильи капитаном Разгуляевым Павлом Фомичем был представлен к ордену Красного Знамени. Приказ о награждении от 13 августа 1942г.

12 июня 1942г. присвоено звание старший лейтенант.

К 1943г. в составе 12 бомбардировочного авиаполка (направлен  вместе с однополчанином- Песоцким Леонидом Ивановичем). Командир полка майор Козырев Петр Харитонович.

С 07 октября 1942г. по 18 января 1943г. летный состав проходил практическую программу по переучиванию на самолет Ту-2.

С 21 января по 06 февраля полк совершил перелет по маршруту Омск- Свердловск- Казань- Ярославль.

До 26 апреля экипажи отрабатывали бомбометание, воздушную стрельбу и маршрутные полеты. 

С 26 апреля по 07 мая- перелет Ярославль- Красный Кут- Невинномысск.

До 23 мая- боевая подготовка.

23 мая- перелет на аэродром Кореневская (Краснодарский край).

С 01 июня по 09 июля личный состав полка занимался командирской учебой, производил учебные вылеты на отработку техники пилотирования и бомбометания.

С 09 по 13 июля полк совершил перелет по маршруту Кореновская- Энгельс- Сушковка.

К 23 июля материальная часть 21 самолета была подготовлена к выполнению дальнейших боевых задач. 

Полк перебазировался на аэродром Ржев.

13 августа 1943г. экипаж бомбардировщика Ту-2- командир 2 авиаэскадрильи капитан Шумейко Авксентий Андреевич (02 августа 1944г. присвоено звание Герой Советского Союза, посмертно), штурман эскадрильи старший лейтенант Лысенко Леонид Иванович, начальник связи эскадрильи старшина Фирсов Карл Иванович, воздушный стрелок старший сержант Арнаутов Николай Васильевич- в составе полковой колонны из 13 самолетов (ведущий- майор Козырев) вылетел на бомбардировку командного пункта и войск противника в пос.Духовщина. В районе цели группа была обстреляна зенитной артиллерией. В период с 10-30 до 10-32 наши самолеты были атакованы 8 истребителями ФВ-190 (Фокке-Вульф). В воздушном бою были сбиты два истребителя. Огнем истребителей были сбиты 2 самолета Ту-2, один подбит.

14 августа тот же экипаж в составе семерки Ту-2, взлетев в 08-50, в 10-27 с высоты 3400м. бомбил войска и технику противника в районе Духовщина. Из-за перекоса одна бомба не сбросилась. В районе Ломоносово был обстрелян своей зенитной артиллерией. В 11-05 экипаж вернулся на свой аэродром.

17 августа тот же экипаж в составе семерки Ту-2, взлетев в 12-20, в 13-11 с высоты 1200м. бомбил войска и автомашины противника в районе Матуховка. Был обстрелян зенитной артиллерией противника. Самолет получил 30 пробоин. Стрелок Арнаутов был ранен в правую ногу. В 13-50 экипаж вернулся на свой аэродром.

23 августа экипаж: капитан Шумейко, старший лейтенант Лысенко, старшина Фирсов, воздушный стрелок старший сержант Левченко Григорий Васильевич- ведущим семерки Ту-2 бомбардировал артиллерию противника в районе Лупшево. В районе цели обстрелян зенитной артиллерий.

04 сентября экипаж: капитан Шумейко, старший лейтенант Лысенко, старшина Фирсов, воздушный стрелок младший лейтенант Бусел Алексей Иосифович- в 14-37 вылетел на бомбардировку артиллерии противника в район Бараново. В полете лопнул петрофлекс и отказа правый мотор. Сбросив бомбы в болото, экипаж в 15-45 вернулся на свой аэродром.

13 сентября 1943г. экипаж: командир звена лейтенант Листаров Александр Георгиевич, штурман эскадрильи старший лейтенант Лысенко Леонид Иванович, стрелок-радист старший сержант Адолин Геннадий Александрович, воздушный стрелок сержант Шаварновский Александр Никитович- в составе девятки Ту-2 (ведущий- командир полка майор Козырев) бомбардировал войска противника в район Рыбшево.

15 сентября в период с 07-50 по 08-00 10 самолетов полка 2 группами произвели вылет на боевое задание. Ведущий первой группы- капитан Герасимов, второй- лейтенант Боговой Василий Алексеевич. Обе группы прикрывали по 5 истребителей Ла-5. С 09-00 до 09-17 группы с высот 2200м. и 1900м. с одного захода нанесли удар по опорному пункту противника  в районе Старое Селище-  Жигулино. На выходе от цели вторая группа была атакована 7 истребителями ФВ-190 (Фокке-Вульф) и 5- Ме-109 (Мессершмитт). Самолет экипажа: командир звена старший лейтенант Алабушев Василий Андреевич, штурман эскадрильи старший лейтенант Лысенко Леонид Иванович, стрелок-радист сержант Кравчук Петр Игнатьевич, воздушный стрелок старший сержант Родионов Петр Митрофанович- в воздушном бою получил 20 пробоин. 4 экипажа с задания не вернулись.

15 сентября полк закончил боевую работу на Калининском фронте.

Был выведен в резерв на подмосковный аэродром Кубинка.

Командиром полка назначен майор Васякин Марк Павлович.

С июня 1944г. полк действовал на Ленинградском фронте- участвовал в бомбардировке оборонительных сооружений линии Маннергейма, позиций противника в районе Выборга и на северном берегу р.Свирь в районе Лодейного поля.

08 июня 1944г. экипаж- командир 2 эскадрильи капитан Савиночкин Иван Илларионович, штурман эскадрильи капитан Лысенко Леонид Иванович, начальник связи эскадрильи старшина Фирсов Карл Иванович,   воздушный стрелок Ямбулатов- в составе четверки Ту-2 (ведущий- командир полка майор Васякин), взлетев в 17-40, выполнил разведывательный полет в районе озер Пасторское и Светлое. В 18-14 экипаж вернулся на свой аэродром.

09 июня экипаж самолета №31: Савиночкин, Лысенко, Фирсов, Ямбулатов- ведущим звена бомбардировал передний края противника в районе Камешки. На цель были сброшены 8 авиабомб ФАБ-250 и одна ФАБ-500. В районе цели звено было обстреляно зенитной артиллерией. Одна бомба ФАБ-500 наружной подвески зависла, при посадке сломала стабилизатор.

К началу июля 1944г. капитан Лысенко совершил 159 боевых вылетов. Был представлен к ордену Отечественной войны I степени. Приказом от 03 августа 1944г. награжден орденом Отечественной войны II степени.

На 3 Белорусском- бомбардировал станцию Минск, не дав возможности противнику эвакуировать 50 эшелонов с техникой. На 1 Прибалтийском фронте полк наносил удары по войскам противника; по железнодорожным станциям Малта, Митава, Мейтене, Оига, Полин; по переправам в районах Дриса и Друя; по аэродрому Эйзере. 

27 июля 1944г. над Митавой истребителями противника был сбит самолет командира полка подполковника Васякина. Командование полком принял майор Герасимов Николай Константинович.

К концу октября 1944г. Леонид Иванович совершил еще 23 боевых вылета. Был представлен к ордену Красного Знамени. Приказом от 06 ноября 1944г. награжден орденом Отечественной войны I степени.

В 1945г. полком командовал гвардии майор Кожевников Ванифатий Алексеевич.

Весной 1945г. экипажи полка наносили удары по объектам противника в Кенигсберге, в портах Пиллау и Розенберг, по укреплениям в районе Хайлигенбайль и Данцига.

С 16 апреля участвовали в Берлинской операции. Бомбардировали Берлин. 

В июне полк в составе дивизии перебазировался на один из подмосковных аэродромов. Участвовал в подготовке к воздушной части Парада Победы. Из-за плохой погоды воздушная часть была отменена.

В июле дивизия перелетела в Монголию

Участвовала в Советско-японской войне. Бомбардировала станции Ванемяо и Солунь, выполнял разведывательные полеты.

Леонид Иванович был награжден медалями «За оборону Кавказа», «За взятие Кенигсберга», «За взятие Берлина», «За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.», «За победу над Японией».

За долголетнюю и безупречную службу в 1947г. был награжден медалью «За боевые заслуги», в 1954г.- орденом Красной Звезды.

Указом Президиума ВС СССР от 30 декабря 1956г. награжден вторым орденом Красного Знамени.

Майор Лысенко был уволен в запас 04 марта 1961г.