К началу войны воздушный стрелок-радист 229 дальнего бомбардировочного авиаполка. Полк имел на вооружении самолеты ДБ-3ф, базировался на аэродроме Ростов-Центральный.

В период с 22 июня по 17 октября 1941г. Леонид Варфоломеевич совершил 23 боевых вылета, в июле в воздушных боях сбил один истребитель Ме-109 (Мессершмитт).

В конце апреля 1942г. в Монино на базе 215 отдельной разведывательной авиационной эскадрильи был сформирован 4 дальний разведывательный авиационный полк (командир- майор Берман Семен Давидович, военком- батальонный комиссар Артемьев Борис Павлович). На вооружении полк имел самолеты Пе-2, Пе-3, летом 1942г. добавилась эскадрилья американских истребителей «Аэрокобра».

21 июля 1942г. экипаж самолета Пе-2; летчик Юркин Николай Иванович, летнаб Павлов Иван Павлович, воздушный стрелок-радист Мельниченко Леонид Варфоломеевич, под огнем зенитной артиллерии противника, фотографировал железнодорожный узел Вязьма. Заметив правее по курсу вражеский аэродром, экипаж решил провести его разведку. Обнаружив скопление самолетов, командир экипажа Юркин, с пикирования обстрелял их из пулеметов. Два истребителя Ме-109 (Мессершмитт) вылетели на преследование наших разведчиков. Один истребитель был подбит стрелком Мельниченко. Второй продолжал атаковать наш самолет и подбил его. Экипаж перетянул линию фронта и совершил вынужденную посадку. Иван Павлович, добравшись до ближайшей телеграфной станции, доложил в полк о результатах разведки и о месте посадки самолета. Вскоре, на самолете По-2 из полка к экипажу прилетел капитан Исаев Михаил Андреевич. Экипаж передал ему кассеты с фотопленкой- для обработки и передачи разведданных в штаб верховного главнокомандования.

В январе 1943г. командование полком принял подполковник Артемьев.

К средине февраля 1943г. старший сержант Мельниченко совершил 18 боевых вылетов на разведку.

Приказом от 16 февраля 1943г. был награжден медалью «За отвагу».

К марту 1943г. Леонид Варфоломеевич в составе 1-й авиаэскадрильи полка. Командир эскадрильи- капитан Плитка Григорий Саввич. Оперативная группа полка а составе 1 авиаэскадрильи базировалась на аэродроме Курск-Центральный. Командовал группой гвардии майор Дмитриев Павел Дмитриевич.

12 марта экипаж самолета Пе-2: летчик лейтенант Самуйленко Георгий Захарович, штурман старший лейтенант Саркисян Николай Дмитриевич, воздушный стрелок-радист старший сержант Мельниченко- выполнил фотографирование укрепрайона противника по р.Усожа.

14 марта 1943г. экипаж самолета Пе-2: летчик Самуйленко, штурман старший лейтенант Крапивников Сергей Тимофеевич, стрелок-радист Мельниченко, выполнил разведку в районах Комаричи- Сомово- Кромы. В районе Кромы был обнаружен 5 истребителями противника Летнаб и стрелок-радист вели огонь и не давали истребителям возможности для атаки. Экипаж выполнил задание и вернулся на свой аэродром.

Экипаж Самуйленко- Крапивников- Мельниченко выполнял боевые вылеты: в марте- 16, 17, 20, 23, 27; в апреле- 05, 11 (2 вылета), 13 (2 вылета), 14, 15 (2 вылета).

К 20 апреля 1943г. совершил 30 успешных боевых вылетов на разведку. Командиром оперативной группы полка гвардии майором Дмитриевым Павлом Дмитриевичем был представлен к ордену Красного Знамени. Приказ о награждении от 26 мая 1943г. 

Следующие боевые вылеты экипажа Самуйленко- Крапивников- Мельниченко: в апреле- 21, 22 (3 вылета), 23, 24 (2 вылета), 25, 26, 28, 29, в мае- 31, в июне- 01, 04, 05, 11.

17 июня 1943г. полк был преобразован в 98 отдельный гвардейский разведывательный авиаполк. 

04 июля 1943г. экипаж самолета Пе-2: летчик гвардии лейтенант Самуйленко, летнаб гвардии старший лейтенант Крапивников, воздушный стрелок-радист гвардии старший сержант Мельниченко, взлетев с аэродрома Курск, выполнил разведку в районе Воронец- Никольское- Кромы- Тросна.

07 июля 1943г., попав в облачность, экипаж был вынужден вернуться не свой аэродром, не выполнив задания.

09 июля 1943г. экипаж выполнил задание по аэроразведке маршрута Комаричи- Брянск- Карачев- .Дмитровск-Орловский.

13 июля 1943г. встретив сплошную облачность над Дмитриев-Льговским, экипаж был вынужден вернуться на свой аэродром через 33 мин. полета.

21 июля 1943г. экипаж выполнял разведку погоды, встретив многослойную облачность, вернулся через 1ч. 10 мин. полета.

22 июля 1943г.- выполнена разведка погоды в районе Льгов- Рыльск.

23 июля 1943г. экипаж выполнил задание по разведке войск противника в районе Сумы- Ровны- Бахмач- Ворожба.

25, 28 и 30 июля 1943г. задания по разведке экипажем выполнены. 

31 июля 1943г., вылетев на разведку погоды в районах Льгов- Рыльск- Севск, встретил в районе Льгова облачность и дождь, вернулся через 50 мин. полета.

01 августа 1943г. ведя разведку, был обнаружен двумя истребителями противника, вернулся через 1ч. 15мин. полета.

02 августа 1943г. задание по разведке выполнил частично. Из-за неисправностей материальной части вернулся через 1ч. 45 мин. полета.

03 августа 1943г. возвратился, встретив в районе Севска сплошную облачность. Через 5 часов экипаж совершил второй вылет. На высоте 6500м. из-за нехватки кислорода штурман Крапивников потерял сознание. Экипаж вернулся на свой аэродром.

04 августа 1943г. экипаж: летчик Самуйленко, штурма лейтенант Водолазский Николай Данилович, воздушный стрелок-радист Мельниченко на самолете Пе-2 вылетел на дальнюю разведку войск противника. В полете отказал левый мотор, экипаж вынужден был вернуться на свой аэродром.

05, 06, 11, 15 (2 вылета), 18 августа 1943г. экипаж Самуйленко- Крапивников- Мельниченко задания по разведке выполнил.

12 августа 1943г. экипаж Самуйленко, штурман лейтенант Воликов Иван Иванович, Мельниченко задания по разведке выполнил.

17 августа, встретив облачность в районе Рыльска, экипаж возвратился, не выполнив задания.

19 августа 1943г. экипаж Самуйленко, штурман гвардии лейтенант Захаров Александр Васильевич, Мельниченко задания по разведке выполнил.

23 августа 1943г. экипаж Самуйленко, Воликов, Мельниченко задания по разведке выполнил.

24 августа 1943г. экипаж Самуйленко, летнаб лейтенант Евтенко Петр Максимович, Мельниченко задание по разведке выполнил.

02 сентября 1943г. экипаж Самуйленко, штурман гвардии старший лейтенант Артемов Александр Михайлович, Мельниченко задания по разведке выполнил.

20 сентября 1943г. экипаж самолета Пе-2 №20: летчик командир звена гвардии старший лейтенант Шурыгин Иван Иванович, летнаб Крапивников, стрелок-радист Мельниченко, взлетев с аэродрома Кагановка, выполнил фотографирование мостов и переправ на Десне от Остер до Чернигова. 

К концу 1943г. гвардии старший сержант Мельниченко совершил 65 боевых вылетов на разведку. Был представлен к ордену Красного Знамени, приказом от 08 апреля 1944г. награжден орденом Красной Звезды.

24 апреля 1944г. экипаж летчик гвардии старший лейтенант Мирович Анатолий Иванович, летнаб младший лейтенант Воронин Михаил Тихонович, стрелок-радист Мельниченко, вылетев с аэродрома Соловье,   выполнил разведку районов Рава-Русская- Ярослав- Перемышль.

25 апреля экипаж Мирович, Воронин, Мельниченко выполнил разведку погоды по маршруту на Дубно.

Вторым вылетом, 25 апреля, экипаж: заместитель командира эскадрильи гвардии капитан Колодяжный Сергей Амвросиевич, штурман эскадрильи гвардии капитан Степин Кузьма Иванович, стрелок-радист Мельниченко, выполнил разведку в районах Ковель- Люблин- Янув- Грубешув.

Следующим вылетом, 25 апреля, экипаж Мирович, Воронин, Мельниченко выполнил разведку районов Каменка- Золочев.

27 апреля экипаж выполнил разведку районов Рава-Русская- Львов- Каменка.

28 апреля- Острог- Радехов- Ходоров- Бережаны.

29 апреля- разведку погоды в районах Броды- Радехов- Львов.

Вторым вылетом- разведку погоды в районах Каменка- Львов- Владимир-Волынский.

30 апреля экипаж выполнил разведку районов Радехов- Рава-Русская- Львов- Золочев.

01 мая экипаж: летчик гвардии капитан Мирович, летнаб гвардии младший лейтенант Комаров Василий Васильевич, стрелок-радист гвардии старшина Мельниченко, выполнил разведку в районах Львов- Ходоров- Рогатин- Золочев- Броды.

Вторым вылетом экипаж Мирович, летнаб гвардии старший лейтенант Мельников Иван Семенович, Мельниченко выполнил разведку районов Броды- Буск- Львов- Каменка- Радехов.

03 мая экипаж Мирович, Мельников, Мельниченко выполнил разведку погоды по маршруту на Радехов. 

Вторым вылетом- разведку в районах Любомль- Холм- Радехов- Каменка- Буск- Золочев.

15 мая экипаж Колодяжный, Степин, Мельниченко выполнил разведку в районах Броды- Золочев- Рава-Русская. В районе Ходоров вел воздушный бой с Мессершмитт-210.

К концу мая 1944г. гвардии старшина Мельниченко совершил 95 боевых вылетов на разведку. Приказом от 10 июня 1944г. был награжден орденом Отечественной войны I степени.

В июне 1944г. был награжден американским орденом «Летный крест за заслуги».

13 июня экипаж Колодяжный, Степин, Мельниченко выполнил площадное фотографирование районов Частны- Радзехув и Броды- Щуровице.

28 августа экипаж самолета Пе-2 №38: летчик гвардии лейтенант Максимов Александр Никанорович, начальник штаба эскадрильи гвардии капитан Самохин Гавриил Борисович, стрелок-радист Мельниченко, вылетев с аэродрома Лабуне (Польша), выполнил разведку в районах Буск- Пинчув- Тарнув.

05 октября 1944г. командиром полка был назначен гвардии подполковник Звонцов Федор Федорович.

14 декабря экипаж: летчик Максимов, летнаб гвардии лейтенант Володин Петр Федорович, стрелок-радист Мельниченко, получив по радио приказ, вернулся на свой аэродром через 20мин полета из-за плохой погоды на маршруте.

В 1945г. Леонид Варфоломеевич участвовал в аэрофоторазведке позиций противника на реках Нейсе, Шпрее, Эльба в Берлине, Праге, Дрездене, Коттбусе, Дессау, Герлице и др.

Совершил еще 34 боевых вылета.

Приказом от 29 мая 1945г. гвардии старшина Мельниченко был награжден вторым орденом Красного Знамени.

Награжден медалями «За взятие Берлина», «За освобождение Праги», «За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.».

Демобилизован 30 октября 1945г.

В честь 40-летия Победы награжден орденом Отечественной войны II степени.