В начале Великой Отечественной войны служил в должности командира взвода 15-й танковой дивизии 16-го мехкорпуса, дислоцировавшегося в городе Станислав, на территории Украины. Принимал участие в Приграничном сражении, его танк был повреждён.

В сентябре 1941 года прибыл во вновь формируемую 4-ю (с 11 ноября — 1-ю гвардейскую) танковую бригаду полковника Катукова. 6 октября во время боя в районе села Первый Воин танковая группа лейтенанта Лавриненко, состоявшая из четырех танков Т-34-76, атаковала немецкую колонну, уничтожив 15 танков противника, четыре из которых были на счету Лавриненко. К 11 октября Лавриненко уничтожил 7 танков.

Наградной лист Д. Ф. Лавриненко.

С конца октября танковая бригада вела бои на волоколамском направлении. 7 ноября около села Лысцево его группа из трёх танков Т-34 и трёх танков БТ-7 вступила в бой с 18 немецкими танками, уничтожив 7 танков. Вскоре старший лейтенант Лавриненко провёл новый бой, уничтожив из засады немецкую танковую колонну вблизи шоссе, идущего на Шишкино. Его танк в упор расстрелял с фланга колонну из 18 танков, уничтожив 6 из них. 19 ноября у деревни Гусенево во встречном бою он уничтожил ещё семь танков.

Из письма Дмитрия Лавриненко родным[4]:

Проклятый враг продолжает рваться к столице, но ему не дойти до Москвы, он будет разбит. Недалек тот час, когда мы погоним фашиста, да так, что он не будет знать, куда ему деваться…

Последний бой Лавриненко провёл 18 декабря на подступах к Волоколамску, у села Горюны. Атаковав прорвавшегося через советские позиции противника, он уничтожил свой 52-й немецкий танк. Уже после боя старший лейтенант Дмитрий Фёдорович Лавриненко был убит осколком мины. Похоронен на месте боя, около шоссе, между сёлами Покровское и Горюны. Позднее перезахоронен в братской могиле в деревне Деньково, Волоколамского района Московской области.