На второй день Великой Отечественной войны, 24 июня 1941 года, Е. А. Петлюк отправилась в военкомат, откуда была направлена в действующую армию техником-укладчиком парашютов. Её воинская часть отходила на восток к реке Дон, затем под Сталинград. Рыбница, где осталась её семья, и Кировоград, где она работала до войны, уже были захвачены немецкими войсками. Когда среди военнослужащих начался отбор для подпольной работы в оккупированной Кировоградской области, кандидатура Екатерины была отклонена, так как её как комсомольскую активистку многие местные жители знали в лицо.

В Сталинграде Е. А. Петлюк решила стать танкисткой: «на танке быстрее немцев с Украины прогоним.» Однако в комиссии по отбору добровольцев в школу танкистов к ней отнеслись скептически, так как у неё, в том числе, не было профильного опыта работы трактористом или шофёром. Тем не менее, ей не смогли отказать, и Екатерина была зачислена в полковую танковую школу. После войны бывший заместитель начальника школы И. X. Гуткин признался, что комиссия была уверена, что она не выдержит и откажется сама, а в крайнем случае — было указание «срезать» её на экзамене. Также ей предлагали перевестись на курсы младших политруков. Однако благодаря своей настойчивости и опыту учёбы в аэроклубе, она освоила профессию механика-водителя танка, сдав все экзамены на «отлично».

Отказавшись от предложения остаться в школе инструктором, 2 июля 1942 года старший сержант Е. А. Петлюк в составе маршевой роты прибыла на станцию Сарепта Приволжской железной дороги на завод «Судоверфь» для получения танка. Екатерине достался лёгкий танк «Т-60», на башне которого она вывела краской: «Малютка». «Вот уже в точку попали — малютка в „Малютке“», шутили танкисты.

Участвовала в Сталинградской битве в составе 56-й танковой бригады. В ходе боевых действий её связной танк «Малютка» (командир танка — Николай Козюра) подкатывал к командирским машинам, мчался в подразделения, передавая приказы, подвозил ремонтников к подбитым танкам, доставлял боеприпасы и вывозил раненых. 16 ноября 1942 года при выполнении очередного задания спасла жизнь офицерам бригады, вовремя заметив в ночное время суток минное поле по маршруту следования. По воспоминаниям капитана Лепёхина, «когда мне сказали, что танк поведет женщина, я, честно говоря, испугался. Думал, лучше пешком пойду. И как ты могла провести танк? А минное поле? Как ты могла его почувствовать?»

7 декабря 56-я танковая бригада была отведена на переформирование в Сальские степи, а несколько танков, в том числе «Малютка», были переданы в 90-ю танковую бригаду. 17 января участвовала в боях на подступах к Воропоново. 31 января 1943 года танковая колонна бригады вошла в Сталинград. В кинохронику Сталинградской битвы попали кадры возле универмага, из подвала которого выходят немецкие генералы, на фоне колонны советских танков, в которой стоял танк с надписью «Малютка» и Е. А. Петлюк.

Всего с декабря 1942 года по январь 1943 года на боевом счету механика-водителя танка Т-60 204-го танкового батальона 90-й танковой бригады старшего сержанта Е. А. Петлюк было 10 боевых выходов, в составе экипажа она уничтожила 10 блиндажей, три автомашины и до 80 солдат и офицеров противника, «показала образцы мужества и героизма, отлично овладела искусством вождения танка в любых условиях боя и местности.» Награждена орденом Красной Звезды (7 февраля 1943).

3 февраля 1943 года 90-я танковая бригада была выведена в резерв Ставки ВГК на переформирование, а её танк вместе с экипажем передан в 91-ю танковую бригаду, которая до лета 1943 года находилась на доукомплектовании.

Предположительно, в начале лета 1943 года Е. А. Петлюк воевала на новом Т-60 «Малютка», который был построен на деньги дошкольников города Омска. 14 — 18 июля 1943 года бригада в составе 3-й гвардейской танковой армии совершила марш в район Старое Батьково и приняла участие в Орловской операции (июль — август 1943 года). К этому времени Е. А. Петлюк пересела уже на танк Т-70 (командир — лейтенант Михаил Колов), а с «Малюткой» пришлось расстаться. На память о «Малютке» Екатерина взяла танковые часы, которые ныне экспонируются в Музее обороны Сталинграда. По некоторым данным, танк «Малютка» дошёл до Берлина.

В бою 22 июля 1943 года танкисты 91-й бригады разгромили противника в Собакино (Залегощенский район Орловской области), овладели переправой через реку Оптушка и на следующий день развили наступление. В этом бою экипаж Е. А. Петлюк уничтожил одно противотанковое орудие. В бою 29 июля за переправу в районе Философово механик-водитель лёгкого танка Т-70 (командир — Пётр Федоренко) 345-го танкового батальона 91-й танковой бригады гвардии старший сержант Е. А. Петлюк вела свой танк в атаку и обеспечила успешный исход боя, разрушив один блиндаж и уничтожив в составе экипажа противотанковое орудие, миномёт, два пулемёта и до 30 солдат противника. При этом командир танка и механик-водитель были ранены, но Е. А. Петлюк сумела вывести танк из боя и оказать командиру первую медицинскую помощь. Отказавшись от отправки в госпиталь, осталась в бригаде и, по оценке командования, «показала себя одной из решительных патриоток Социалистической Родины». За этот эпизод была награждена орденом Отечественной войны II степени (14 августа 1943).

Выступала с докладом на армейской конференции механиков-водителей танков. Перед выходом советских войск к Днепру Е. А. Петлюк была переведена в 39-й гвардейский отдельный разведывательный армейский автобронебатальон 3-й гвардейской танковой армии. 20 сентября 1943 года танкисты устремились вперёд, за двое с половиной суток преодолели около 200 километров и вышли к Днепру. 6 ноября был освобождён Киев. В феврале 1944 года Е. А. Петлюк участвовала в боях за крупный железнодорожный узел Шепетовка.

Весной 1944 года направлена в Ульяновское танковое училище, по окончании которого младший лейтенант Е. А. Петлюк, как опытный танкист, была оставлена в училище командиром учебного взвода. Также сказались три полученных в боях ранения: по заключению военно-медицинской комиссии она была признана инвалидом второй группы.