С началом Великой Отечественной войны Мария решила уйти на фронт. После неоднократных обращений в Сталинский РВК г. Свердловска, ей прислали повестку и направили в числе таких же 20-летних девушек в Челябинскую школу военных трактористов. Зимой 1942 года направлена в батальон аэродромного обслуживания на Волховском фронте, в нескольких километрах от передовых позиций. В течение 1942 года валила на своём тракторе деревья, корчевала пни, ровняла землю, убирала снег. Во время бомбардировки аэродрома ефрейтор Лагунова была контужена и направлена в запасной полк, где её определили в киномеханики.

B феврале 1943 года для отбора на курсы танкистов в полк приехал военный представитель с Урала. Мария также решила записаться, но получила отказ. Тогда она написала письмо в Москву М. И. Калинину, и через несколько дней военпред получил приказ принять М. И. Лагунову в число курсантов. Таким образом, среди 700 курсантов-мужчин, будущих танкистов, приехавших в марте 1943 года в город Нижний Тагил, оказалась одна девушка.

Программа курсов была рассчитана на четыре месяца, однако лучшим курсантам 19-го учебного танкового полка 2-й учебной танковой бригады было предложено сдавать экзамены досрочно уже в июне. Мария оказалась в числе лучших механиков-водителей и досрочно сдала экзамены. Наотрез отказавшись остаться в полку инструктором, механик-водитель М. И. Лагунова направлена на фронт в 424-й отдельный танковый батальон 56-й гвардейской танковой бригады.

Боевое крещение гвардии сержант М. И. Лагунова приняла на Курской дуге. После контрнаступления советских войск под Курском танкисты с боями продвигалась дальше на запад, через Сумскую, Черниговскую и Киевскую области Украины. Мария Ивановна показала себя опытным и смелым водителем, пользовалась боевым авторитетом у танкистов. На её счету было уже много раздавленных гусеницами огневых точек, орудий и солдат противника. В бригаде о ней говорили: «Это наш танковый ас».

28 сентября 1943 года под Киевом, у города Бровары, бригада вела тяжёлые бои. Село Княжичи дважды переходило из рук в руки. Заместитель командира батальона по политчасти капитан Митяйкин лично повёл танкистов в очередную танковую атаку на немецкие позиции, находясь в Т-34, где механиком-водителем служила М. И. Лагунова. Для неё это был уже 13-й по счёту бой.

Поначалу атака развивалась успешно. Но вскоре танк был подбит. Снаряд повредил гусеницу и пришёлся на место механика-водителя.

М. И. Лагунову эвакуировали из танка без сознания и доставили в полевой госпиталь. Очнувшись, она обнаружила, что ног нет. Также не действовала правая рука.

Самолётом она была доставлены в Сумы, оттуда в Ульяновск, а затем в Омск. Здесь хирург Валентина Борисова провела ей серию операций, чтобы частично спасти ноги для возможности ходить на протезах.

В госпитале М. И. Лагуновой вручили орден Красной Звезды. Делегация из нижнетагильского учебного полка привезла Марии около 60 писем, как от друзей, так и от незнакомых курсантов из нового пополнения. Из писем с фронта от командира бригады полковника М. К. Скубы и её прежнего комбата майора Хонина она узнала, что в комнате славы полка теперь висит её портрет, а её военная биография рассказывается всем курсантам в воспитательных целях. По другим сведениям, считалась погибшей, и однополчане из 56-й гвардейской танковой бригады узнали о том, что она жива, лишь через 20 лет из публикаций писателя С. С. Смирнова в прессе.

Весной 1944 года М. И. Лагунову перевезли в Центральный институт травматологии и протезирования МЗ СССР в Москве, где ей сделали протезы.

Вернувшись в учебный полк, М. И. Лагунова четыре года служила телеграфисткой, продолжая тренироваться в ходьбе на протезах. В 1948 году демобилизована.