Dopo la morte della cugina, Lucia decise di abbandonare Fatima per studiare e seguire la vita consacrata. Il 17 giugno 1921 entrò nel collegio cattolico di Vilar (Oporto) diretto dalle religiose di Santa Dorotea. Nel 1925, a diciotto anni, Lucia entrò nel convento delle suore sopra citate a Pontevedra, in Spagna. Quivi, il 10 dicembre, ricevette una nuova apparizione della Madonna che le comunicò la sua "Grande Promessa", la comunione riparatrice nei primi sabati del mese:

"Guarda figlia mia, il mio Cuore circondato di spine che gli uomini ingrati in ogni momento Mi configgono con bestemmie e ingratitudini. Almeno tu vedi di consolarMi, e dì che tutti coloro che per cinque mesi, il primo sabato, si confesseranno, ricevendo la santa Comunione, reciteranno un rosario e Mi faranno compagnia per quindici minuti meditando i quindici misteri del Rosario con l'intenzione di alleviare la mia pena, Io prometto di assisterli nell'ora della morte con tutte le grazie necessarie per la salvezza di queste anime"

Successivamente, su preghiera della stessa Lucia, la confessione venne permessa anche otto giorni prima del sabato stesso. Nel 1926, Suor Lucia lasciò il convento di Pontevedra per entrare nel noviziato a Tuy dove ricevette l’abito il 26 ottobre 1926, e pronunciò i suoi primi voti il 3 ottobre 1928. Lì ricevette una nuova apparizione il 13 giugno 1929: mentre si trovava in cappella a pregare, venne irradiata dalla luce della Trinità, a fianco ad essa Maria raccomandò alla veggente di inviare una lettera al papa ordinandogli di consacrare la Russia al suo Cuore Immacolato. Poiché questo non avvenne, due anni dopo suor Lucia, mentre si trovava convalescente a Rianjio, vicino Pontevedra, ebbe un'altra visione, questa volta di Gesù stesso[senza fonte] che si lamentò per la lentezza della Chiesa ad adempiere ai suoi comandi:

"Fai sapere ai Miei ministri, che non hanno voluto soddisfare la Mia richiesta, ... come il Re di Francia si pentiranno e la faranno, ma sarà tardi. La Russia avrà già sparso i suoi errori per il mondo, provocando guerre, persecuzioni alla Chiesa: il Santo Padre avrà molto da soffrire"

Nella notte dal 24 al 25 gennaio 1938 una straordinaria aurora boreale illuminò il cielo del Portogallo: la veggente ritenne che quella fosse la grande luce predetta dalla Vergine, preludio della seconda guerra mondiale. In quell'occasione Lucia rese nota la prima parte del segreto ricevuto, quella relativa all'inferno.

Nel dicembre del 1918 una terribile epidemia di influenza spagnola si abbatté sul Portogallo, Giacinta e Francisco ne furono colpiti; la prima riuscì a guarire dopo una lunga convalescenza, il secondo invece rimase a letto malato. Il mattino del 2 aprile Lucia si recò dal cugino per assisterlo nelle sue ultime ore di vita; il mattino del 4 aprile alle ore dieci Francisco, all'età di undici anni, si spense in presenza della madre e dei familiari. Prima di morire, rivelò Lucia, disse di vedere una grande luce, poi subito scomparsa. Il suo corpo fu sepolto il giorno dopo nel piccolo cimitero di Fatima.

Giacinta qualche tempo dopo venne colpita da una pleurite purulenta e trasportata all'Ospedale di Vila Nova da Ourem. Fu una malattia parecchio dolorosa, una profonda piaga le si scavò nel petto e, dopo due mesi di degenza e il ritorno a casa, questa s'infettò in breve tempo. Il professor Enrico Lisboa decise di condurla al suo ospedale per operarla con i metodi migliori. Venne così allontanata dalla famiglia e trasferita a Lisbona nell'Orfanotrofio di Nostra Signora, sotto le cure della Superiora, Maria della Purificazione. Ma la situazione era davvero critica, il 10 gennaio del 1920 le vennero asportate due costole dalla parte sinistra, dove c'era una piaga "larga quanto una mano", senza anestesia poiché il gracile corpo dell'inferma non lo permetteva. Secondo i testimoni, la ragazzina sopportò tutto con coraggio dicendo che avrebbe offerto tutto per la salvezza dei peccatori. Alle 10:30 del 20 febbraio 1920, la ragazzina, oppressa da dolori lancinanti, morì in presenza dell'infermiera Aurora Gomez, alla quale era stata affidata, lontana da Lucia e dai genitori.

La mattina del giorno dopo, il suo corpo fu trasferito alla chiesa degli Angeli, dove rimase fino alla sera del 24. In seguito partì per Vila Nova de Ourém e fu tumulato nella cappella del barone di Alvaiazere. Trascorsi quindici anni, il 12 settembre 1935, la bara fu aperta. Il corpo, il cui volto fu trovato incorrotto, fu trasportato nello stesso giorno al cimitero di Fatima, dove rimase altri quindici anni e mezzo, fino al 30 aprile 1951. Il 1 maggio successivo, le sue spoglie mortali furono traslate nel transetto della basilica, alla sinistra dell’altare maggiore; un anno dopo il 13 marzo 1952, furono trasportate lì anche le spoglie mortali del fratello Francisco. Il 13 maggio 1989 (72º anniversario di Fatima) il Papa Giovanni Paolo II proclamò l'eroicità delle virtù di Francesco e Giacinta e li beatificò il 13 maggio 2000 proprio a Fatima, luogo delle apparizioni.

Il 13 ottobre Cova d'Iria traboccava di gente, uomini giunti da tutto il Portogallo si erano recati lì per assistere al miracolo predetto dalla Vergine. Vi erano anche parecchi giornalisti anti-clericali decisi a dimostrare come le apparizioni fossero soltanto una commedia escogitata dal parroco di Fatima. Era una giornata parecchio piovosa e tutti i fedeli si coprivano con gli ombrelli. A mezzogiorno un sacerdote si avvicinò a Lucia e l'accusò di essere una millantatrice poiché la Madonna non era ancora apparsa, poco dopo i presenti videro una nube circondare i pastorelli e l'elce. La Madonna ordinò a Lucia di far costruire in quel luogo una cappella in suo onore, dedicata alla "Vergine del Rosario", raccomandò inoltre di pregare molto poiché la guerra era in procinto di concludersi. Detto questo ascese al cielo che si aprì al suo passaggio, e accadde dunque il miracolo predetto: il sole cominciò a volteggiare, fu visibile ad occhio nudo, dopo di che sembrò cadere sulla folla atterrita, fermarsi di colpo e risalire al cielo.

Il fenomeno fu visto anche da osservatori increduli accorsi in gran numero, convinti di assistere allo smascheramento della promessa di un prodigio. Tra questi vi era Avelino de Almeida, direttore del giornale O Seculo, che era il più diffuso e autorevole quotidiano liberale ed anticlericale portoghese di Lisbona. Nel suo articolo, pubblicato il 15 ottobre 1917, de Almeida scrisse:

Dalla strada, dove i carri erano tutti raggruppati e dove stavano centinaia di persone che non avevano il coraggio sufficiente per attraversare il terreno reso fangoso dalla pioggia, vedemmo l'immensa folla girarsi verso il sole che apparve al suo zenit, chiaro tra le nuvole. Sembrava un disco d'argento, ed era possibile guardarlo senza problemi. Non bruciava gli occhi, non li accecava. Come se vi fosse stata un eclisse. Poi si udì un urlo fragoroso, e la gente più vicina cominciò a gridare – Miracolo, miracolo! Meraviglia, meraviglia! - Davanti agli occhi estasiati delle persone, il cui comportamento ci riportava ai tempi della Bibbia e le quali ora contemplavano il cielo limpido, sbalordite e a testa scoperta, il sole tremò, compì degli strani e bruschi movimenti, al di fuori di qualsiasi logica scientifica, – il sole «danzò» - secondo la tipica espressione dei contadini.

Testimonianza simile quella riportata dal dottore Almeida Garrett:

Improvvisamente udii il clamore di centinaia di voci e vidi che la folla si sparpagliava ai miei piedi ...

voltava la schiena al luogo dove, fino a quel momento, si era concentrata la sua attesa e guardava verso il sole dall'altro lato. Anche io mi sono rivoltato verso il punto che richiamava lo sguardo di tutti e potei vedere il sole apparire come un disco chiarissimo, con i contorni nitidi, che splendeva senza offendere la vista. Non poteva essere confuso con il sole visto attraverso una nebbia (che non c'era in quel momento) perché non era né velato né attenuato. A Fatima esso manteneva la sua luce e il suo calore e si stagliava nel cielo con i suoi nitidi contorni, come un largo tavolo da gioco. La cosa più stupefacente era il poter contemplare il disco solare, per lungo tempo, brillante di luce e calore, senza ferirsi gli occhi o danneggiare la retina. Udimmo un clamore, il grido angosciato della folla intera. Il sole, infatti, mantenendo i suoi rapidi movimenti rotatori, sembrò essere libero di muoversi nel firmamento, e di spingersi, rosso sangue, verso la terra, minacciando di distruggerci con la sua enorme massa. Furono dei secondi davvero terribili.

Parecchie furono le testimonianze anche dei fedeli lì accorsi:

Il sole vibrò e tremò, sembrava una ruota infuocata (Maria da Capelinha).

Il sole si tramutò in una ruota infuocata, assumendo tutti i colori dell’arcobaleno. Tutto assunse quegli stessi colori: le nostre facce, i nostri vestiti, la terra stessa (Maria do Carmo). Il sole cominciò a danzare e, ad un certo punto, sembrò staccarsi dal firmamento e correre verso di noi, come una ruota di fuoco (Alfredo da Silva Santos). Udii urla di gioia e di amore verso la Madonna di Fatima, da parte di quelle migliaia di bocche . E allora credetti. Ebbi la certezza di non essere stata vittima di una suggestione. Avevo visto il sole come non l’avrei mai visto di nuovo (Mario Godinho, un ingegnere). Nel momento in cui uno meno se lo sarebbe aspettato, i nostri vestiti risultarono completamente asciutti (Maria do Carmo).

I tre pastorelli dissero di aver visto dapprima anche la Madonna, san Giuseppe e Gesù bambino, mentre benedicevano il mondo tracciando un ampio segno di croce, successivamente apparvero loro la Vergine, in vesti di Addolorata, seguita da Gesù con la croce e la corona di spine, in seguito la sola Vergine vestita come Madonna del Carmelo. Non appena il miracolo fu concluso, la folla si riversò entusiasta sui pastorelli, Francisco riuscì a fuggire, Giacinta venne condotta via da un amico, Lucia invece si ritrovò senza velo né trecce poiché alcuni fanatici gliele avevano tagliate!.

Passati alcuni mesi dalle apparizioni dell'angelo, i tre pastorelli sembrarono dimenticare ciò che egli aveva detto e continuarono le loro mansioni, stavolta nei pascoli della "Cova d'Iria", possedimenti del padre di Lucia. Il 13 maggio 1917, mentre i ragazzini giocavano sorvegliando il gregge, avvertirono un lampo improvviso, come di temporale. Preoccupati per le loro pecore essi cercarono di metterle al riparo, quando un secondo lampo fu avvertito circa a metà strada lungo la discesa e una bellissima Signora apparve loro sopra un piccolo elce verdeggiante.

"Non abbiate paura - disse la visione - non voglio farvi del male". Lucia, sbalordita, chiese dunque alla misteriosa arrivata: "Di dove venite, Signora?". "Vengo dal cielo" fu la risposta. Dopo di che la Madonna ordinò ai tre bambini di recarsi in quello stesso luogo il tredici di ogni mese, per sei mesi consecutivi, fino a ottobre, raccomandando loro di pregare il rosario affinché la prima guerra mondiale finisse e i soldati, fra i quali il fratello di Lucia, potessero tornare alle proprie case. Con queste ultime sollecitazioni la visione scomparve, lasciando attoniti i tre bambini.

Scesi dalla cova i pastorelli tornarono alle loro case. La piccola Giacinta raccontò tutto alla madre che, preoccupata, chiese aiuto alla cognata Rosa, madre di Lucia, che rimproverò aspramente la figlia per questa sua menzogna. Lucia cercò inutilmente di difendersi dalle accuse ma, vedendo che tutto era inutile, preferì tacere fino a quando non arrivò il 13 giugno, giorno in cui la visione sarebbe tornata a Cova di Iria. Lucia pregò la madre di farla andare lì, nonostante tutto il paese fosse radunato per la festa patronale di Sant'Antonio di Padova, oriundo di Lisbona. Seguivano i tre veggenti questa volta quattordici compagne curiose e con loro Maria Carreira col figlio, storpio, Giovanni. A mezzogiorno la Madonna riapparve ai pastorelli rivelando a Lucia, che piangeva per i maltrattamenti subiti dalla madre nel mese passato, che Giacinta e Francisco sarebbero presto morti mentre lei sarebbe sopravvissuta per far conoscere al mondo ciò che aveva visto. Detto questo mostrò ai veggenti il suo cuore ferito da spine pungenti e scomparve. I fedeli attorno all'elce dichiararono di aver visto una nuvola volare via, verso oriente.

Sulla via del ritorno, i pastorelli vennero bersagliati dalle domande dei curiosi fedeli, e furono costretti a fuggire in casa. Lì la madre di Lucia maltrattò la figlia credendola una bugiarda, poi la condusse dal parroco che la interrogò e le mise il sospetto che quella visione fosse in realtà una manifestazione malefica.

Il 13 luglio i bambini tornarono alla Cova d'Iria, questa volta erano lì radunate circa cinquemila persone, molte delle quali desiderose di prendersi gioco dei ragazzini. A mezzogiorno cominciò l'apparizione, e Lucia si lamentò presso la Signora per tutti i maltrattamenti subiti, la medesima la pregò di offrire le sue sofferenze per la conversione dei peccatori, dopo di che mostrò ai tre pastorelli la visione dell'inferno, qui riportata testualmente dagli scritti di suor Lucia:

"La Madonna ci mostrò un grande mare di fuoco, che sembrava stare sotto terra. Immersi in quel fuoco, i demoni e le anime, come se fossero braci trasparenti e nere o bronzee, con forma umana che fluttuavano nell'incendio, portate dalle fiamme che uscivano da loro stesse insieme a nuvole di fumo, cadendo da tutte le parti simili al cadere delle scintille nei grandi incendi, senza peso né equilibrio, tra grida e gemiti di dolore e disperazione che mettevano orrore e facevano tremare dalla paura. I demoni si riconoscevano dalle forme orribili e ributtanti di animali spaventosi e sconosciuti, ma trasparenti e neri. Questa visione durò un momento"

Mostrato ciò la Madonna continuò a parlare ai pastorelli rivelando loro la seconda parte del segreto (la prima era appunto la visione dell'Inferno):

"La guerra sta per finire, ma se non smetteranno di offendere Dio, nel regno di Pio XI ne comincerà un'altra peggiore. Quando vedrete una notte illuminata da una luce sconosciuta, sappiate che è il grande segnale che Dio vi dà del fatto che si appresta a punire il mondo per i suoi delitti, per mezzo della guerra, della fame e delle persecuzioni alla Chiesa e al Santo Padre. Per impedire tutto questo, sono venuta a chiedere la Consacrazione della Russia al Mio Cuore Immacolato e la comunione riparatrice nei primi sabati. Se ascolterete le Mie richieste, la Russia si convertirà e avrete pace; diversamente, diffonderà i suoi errori nel mondo, promuovendo guerre e persecuzioni alla Chiesa; i buoni saranno martirizzati, il Santo Padre dovrà soffrire molto, diverse nazioni saranno annientate. Infine il Mio Cuore Immacolato trionferà. Il Santo Padre Mi consacrerà la Russia che si convertirà, e sarà concesso al mondo qualche tempo di pace".

L'apparizione si concluse poco dopo. Tutto il Portogallo cominciò a parlare degli strani avvenimenti accaduti a Fatima, accusando i pastorelli di essere millantatori, vittime d'una congiura clericale che voleva ricondurre alla religione i superstiziosi fedeli. La notizia giunse agli orecchi del sindaco di Vila Nova da Ourèm (di cui Fatima è una frazione), Arturo Oliveira, che decise di farla finita con questa commedia. Questi dapprima convocò Lucia, suo padre e il padre di Giacinta e Francisco, Manuel, ricoprendoli di insulti e minacciandoli d'arresto, dopo di che, la mattina del 13 agosto, con la scusa di condurre i pastorelli alla Cova d'Iria, li trascinò in prigione per costringerli a confessare. Ma i ragazzini sembravano davvero irremovibili, né volevano dire che la loro era una menzogna né tantomeno rivelare al sindaco i segreti dati dalla Madonna. Non sapendo più come minacciarli, il sindaco li rimandò a casa il giorno 15 agosto. I bambini non avevano dunque potuto assistere all'apparizione che li raggiunse quattro giorni dopo, il 19 agosto, promettendo che a Ottobre avrebbe lasciato un segno per confermare l'autenticità delle loro parole.

Il 13 settembre erano radunate alla Cova d'Iria circa trentamila persone, fra i quali molti malati in barella. A mezzogiorno, testimoni dissero di aver visto un globo luminoso piovere dal cielo e scendere verso l'elce, la Madonna apparve e consolò alcuni fra i malati promettendo a Lucia che entro l'anno li avrebbe guariti, dopo di che ordinò di usare il denaro che la gente donava per costruire lì, a Cova d'Iria, una cappella a lei dedicata. Bonariamente Lucia volle consegnare alla Madonna una fialetta di profumo e alcune lettere datele da un oriundo di Olival, ma l'apparizione ovviamente le rifiutò, poi scomparve.