В тот день поврежденный бомбардировщик «Су-2» старшего лейтенанта Зеленко возвращался с третьего за последние сутки боевого вылета, когда «сушку» атаковали 7 вражеских истребителей «Me-109» и взяли его в кольцо. Завязался воздушный бой, в котором оба члена экипажа «Су-2» были ранены, к тому же, у бортового стрелка вскоре закончился боезапас. Тогда Зеленко приказала напарнику покинуть самолёт на парашюте.
Нашей героине удалось сбить один «мессер» огнем из крыльевых пулемётов но вскоре и у неё кончились патроны. Тогда она повела свой лёгкий бомбардировщик на сближение с одним из фашистов. От удара крылом по фюзеляжу «Мессершмитт» разломился пополам. После этого Екатерина пыталась посадить свой искореженный «Су-2» но её атаковал другой Ме-109. Самолет Зеленко взорвался в воздухе и сама она погибла.
Местные жители похоронили останки героической советской лётчицы в центре села Анастасьевка Сумской области Украины. Ещё в 1941 году её посмертно представили к звезде Героя, однако тогда она была награждена только орденом Ленина. После войны останки Екатерины Зеленко перезахоронили в Курске. А 5 мая 1990 года указом президента М.С. Горбачева СССР ей было посмертно присвоено заслуженное звание Героя Советского Союза.