Gwardyjskiego pułku lotnictwa myśliwskiego (9 GIAP), a w styczniu 1943 – do 296 IAP, przemianowanego później na 73. Gwardyjski pułk lotnictwa myśliwskiego.

23 lutego 1943 została odznaczona Orderem Czerwonej Gwiazdy. Dwa razy przymusowo lądowała na skutek uszkodzeń samolotu, a 22 marca i 16 lipca 1943 była raniona w walce powietrznej. Uzyskała stopień młodszego lejtnanta gwardii (najniższy stopień oficerski). W lutym 1943 roku pobrała się z pilotem myśliwskim 73 GIAP Aleksiejem Sołomatinem, który zginął 21 maja 1943.

1 sierpnia 1943, podczas walki z grupą myśliwców Bf 109, samolot Lidii Litwiak został zestrzelony i zaginął. Poszukiwania nie przyniosły rezultatu – przypuszczano, że Lidija mogła dostać się do niewoli (co w propagandzie stalinowskiej było równoznaczne ze zdradą). Z uwagi na wątpliwości co do jej losu, nie zdecydowano się nadać jej pośmiertnie wnioskowanego tytułu Bohatera Związku Radzieckiego, uhonorowano ją Orderem Wojny Ojczyźnianej I stopnia. Poszukiwania podjęto na nowo w 1968 za sprawą akcji prasowej. W 1979 ustalono, że samolot jej spadł w rejonie wsi Dmytriwka w rejonie szachtarskim, przy czym Lidija poniosła śmierć od postrzału w głowę i została tam pochowana w zbiorowym grobie. 5 maja 1990 Prezydent ZSRR Michaił Gorbaczow nadał jej pośmiertnie tytuł Bohatera Związku Radzieckiego.