Начало Великой Отечественной войны лейтенант Лавриненко встретил в должности командира взвода 15-й танковой дивизии, которая дислоцировалась в городе Станиславе, на территории Западной Украины. Отличиться в первых боях ему не удалось, так как его танк был повреждён. Во время отступления молодой офицер проявил характер и наотрез отказался уничтожить свой неисправный танк. Только после того, как оставшийся личный состав дивизии был отправлен на переформирование, Лавриненко сдал свою машину в ремонт.
В сентябре 1941 года в Сталинградской области на основе личного состава 15-й и 20-й танковых дивизий была сформирована 4-я танковая бригада, командиром которой был назначен полковник М. Е. Катуков. В начале октября бригада вступила в тяжёлые бои под Мценском с частями 2-й немецкой танковой группы генерал-полковника Гейнца Гудериана.
6 октября во время боя в районе села Первый Воин позиции бригады были атакованы превосходящими силами немецких танков и мотопехоты. Танки противника подавили противотанковые пушки и начали утюжить окопы мотострелков. На помощь пехотинцам М. Е. Катуков выслал группу из четырёх танков Т-34 под командованием старшего лейтенанта Лавриненко. «Тридцатьчетвёрки» выскочили из леса наперерез танкам противника и открыли ураганный огонь. Немцы никак не ожидали появления советских танков. С НП бригады было хорошо видно, как вспыхнуло несколько машин противника, как остальные остановились и затем, огрызаясь огнём, в замешательстве попятились. Танки Лавриненко исчезли так же внезапно, как и появились, но через несколько минут показались левее, из-за пригорка. И снова из их пушек сверкнуло пламя. В результате нескольких стремительных атак 15 немецких машин остались на поле боя, охваченные оранжевыми языками пламени. Солдаты мотострелкового батальона стали собираться вокруг своих танков. Получив приказ на отход, Лавриненко посадил раненых на броню и вернулся на место засады — на опушку леса. В этом бою Лавриненко открыл свой боевой счёт, подбив четыре танка противника.
К 11 октября на счету отважного танкиста было уже семь танков, противотанковое орудие и до двух взводов немецкой пехоты. Механик-водитель его танка старший сержант Пономаренко так описал один из боевых эпизодов тех дней: «Лавриненко нам сказал так: „Живыми не вернуться, но миномётную роту выручить. Понятно? Вперёд!“
Выскакиваем на бугорок, а там немецкие танки, как собаки, шныряют. Я остановился.
Лавриненко — удар! По тяжёлому танку. Потом видим, между нашими двумя горящими лёгкими танками БТ немецкий средний танк — разбили и его. Видим ещё один танк — он убегает. Выстрел! Пламя… Есть три танка. Их экипажи расползаются.
В 300 метрах вижу ещё один танк, показываю его Лавриненко, а он — настоящий снайпер. Со второго снаряда разбил и этот, четвёртый по счёту. И Капотов — молодец: на его долю тоже три немецких танка досталось. И Полянский одного угробил. Так вот миномётную роту и спасли. А сами — без единой потери!»
Следует уточнить, что упомянутые в рассказе танкиста Капотов и Полянский — командиры танков из взвода, которым командовал Лавриненко. Тяжёлый же танк, о котором идёт речь, вовсе не выдумка танкиста — до 1943 года, согласно немецкой классификации, тяжёлым считался танк Pz. IV.
Дважды Герой Советского Союза генерал армии Д. Д. Лелюшенко в своей книге «Заря Победы» поведал об одном из приёмов, который применил Лавриненко в боях под Мценском: «Запомнилось мне, как лейтенант Дмитрий Лавриненко, тщательно замаскировав свои танки, установил на позиции брёвна, внешне походившие на стволы танковых орудий. И не безуспешно: фашисты открыли по ложным целям огонь. Подпустив гитлеровцев на выгодную дистанцию, Лавриненко обрушил на них губительный огонь из засад и уничтожил 9 танков, 2 орудия и множество гитлеровцев».
Однако до сих пор нет точных данных о количестве немецких танков, подбитых экипажем Д. Лавриненко в боях за Мценск. В книге Я. Л. Лившица «1-я гвардейская танковая бригада в боях за Москву», изданной в 1948 году, говорится, что на счету Лавриненко было семь танков. Генерал армии Д. Д. Лелюшенко утверждает, что только при обороне железнодорожного моста через реку Зуша в районе Мценска экипаж Лавриненко уничтожил шесть немецких танков (кстати, экипаж KB старшего политрука Ивана Лакомова, который также участвовал в обороне этого моста, подбил четыре танка противника). В других источниках сообщается о том, что «тридцатьчетвёрки» лейтенанта Лавриненко и старшего сержанта Капотова пришли на помощь танку своего комбата капитана Василия Гусева, прикрывавшего отход 4-й танковой бригады через мост. В ходе боя экипажам Лавриненко и Капотова удалось уничтожить только по одному танку, после чего противник прекратил свои атаки. Существует также утверждение о том, что в боях под Мценском Дмитрий Лавриненко уничтожил 19 немецких танков. Наконец, в военно-историческом очерке «Советские танковые войска 1941–1945» сообщается, что в боях под Орлом и Мценском в течение четырёх дней экипаж Лавриненко уничтожил 16 вражеских танков. Вот типичный пример того, как в то время вёлся учёт подбитых вражеских машин, даже в рамках одной бригады.