Apját a háború idején elvesztette, anyjával nevelkedett Leningrádban. Színi tanulmányait a Moszkvai Művész Színház stúdiójában kezdte. Grigorij Csuhraj fedezte fel a film számára. Még első évfolyamát végezte, amikor a rendező rábízta később híressé vált filmje, a "Ballada a katonáról" női főszerepét. A háború idején játszódó történetben a frontról pár nap szabadságra falujába tartó kiskatona (Vlagyimir Ivasov) segít elrejtőzni a fiatal lánynak, Surának egy katonai szerelvény vagonjában. Utazás közben kölcsönös vonzalom ébred bennük, de végül elválnak. A pályakezdő színésznő könnyed természetességgel elevenítette meg Sura tiszta, saját érzelmeitől is megriadó, kedves alakját. A film az 1960-as cannes-i filmfesztivál egyik díját és a Brit Filmes és Televíziós Művészetek Akadémiája legjobb filmnek járó díját is elnyerte (1962). Ezzel a filmszereppel Prohorenko egy csapásra híres lett, hazájában és külföldön egyaránt. Ő volt az első szovjet színésznő, aki személyesen részt vett a San Franciscó-i Arany Kapu Filmfesztiválon (1960).