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».

14 марта 1943г. экипаж самолета Пе-2: летчик лейтенант Самуйленко Георгий Захарович, летнаб (летчик-наблюдатель) старший лейтенант Крапивников Сергей Тимофеевич, воздушный стрелок-радист старший сержант Мельниченко Леонид Варфоломеевич, 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.

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. 

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

Леонид Варфоломеевич в составе 1 авиаэскадрильи полка. Командир эскадрильи гвардии майор Плитка Григорий Саввич.

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.

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».

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

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.».

Уволен в запас 30 октября 1945г.

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