С августа 1942 по декабрь 1945 года она служила в рядах Красной Армии. На протяжении этого времени занимала несколько должностей: месяц работала младшим врачом 255-го кавалерийского полка, затем десять месяцев — эпидемиологом в санитарно-эпидемическом отряде № 121 51-й армии. Остальное время провела в качестве ординатора госпитального взвода 93-го медико-санитарного батальона 51-й армии 99-й стрелковой дивизии.
В период с 1942 по май 1945 года Клавдия Николаевна принимала участие в боевых действиях на Сталинградском фронте, а затем на 1-м и 2-м Украинском фронтах. В 1942 году преподавала лекарственную терапию на сестринских курсах РОКК. В 1944-1945 годах участвовала в освобождении Польши, Румынии, Венгрии, Австрии и Чехословакии от немецко-фашистских войск.
Общий стаж её службы в советской армии составил 3,5 года. По окончании войны Клавдия Николаевна Фомиченко была уволена в запас в звании капитана медицинской службы.