Прорыв в международную элиту удался Лысенко летом 2005 года. 15 июля она на 99 см побила в Москве мировой рекорд шестилетней давности, принадлежащий румынке Михаэле Мелинте, метнув молот на 77,06 м. Полтора месяца спустя она выиграла на чемпионате мира 2005 года в Хельсинки бронзовую медаль. 24 июня 2006 года Татьяна Лысенко установила в Жуковском новый мировой рекорд, достигнув 77,41 м. На чемпионате Европы 2006 года она выиграла «золото» с результатом 76,67 м, установив рекорд чемпионата. 15 августа того же года в Таллине она побила свой собственный рекорд, метнув молот на 77,80 м.