А в конце сентябре она уже воевала на Сталинградском фронте в составе 437-го «мужского» авиаполка, защищавшего небо Сталинграда, летая на Ла-5. Позже пересела на Як-1 с жёлтым номером «44» на борту.

Женское истребительное звено просуществовало недолго. Его командир, старший лейтенант Р. Беляева, вскоре была сбита и после вынужденного прыжка с парашютом долго лечилась. Вслед за ней выбыла из строя по болезни М. Кузнецова. В полку остались только 2 лётчицы: Л. Литвяк и Е. Буданова. Именно они достигли наивысших результатов в боях. Вскоре Лидия сбила ещё один "Юнкерс".Лидия Литвяк была ещё совсем юной девушкой – ей едва исполнился 21 год. Молодой и очень романтичной: по воспоминаниям, Лидия носила длинные шарфы, сшитые из парашютного шёлка, и всегда держала в кабине истребителя букетик полевых цветов. На капоте своего Як-1 она нарисовала яркую белую лилию.

Многие считали её красавицей. И на фронте к Лидии пришла большая любовь: её супругом стал её же ведущий – Алексей Саломатин, всего одержавший 12 побед.Новыми боевыми победами была увенчана их слава и после перевода 8 января 1943 года в 296-й истребительный авиационный полк. К февралю Литвяк выполнила 16 боевых вылетов на сопровождение штурмовиков, разведку войск противника и прикрытие наших наземных войск.11 февраля 1943 года командир 296-го истребительного авиационного полка майор Н.И.Баранов повёл четвёрку истребителей в бой. И снова, как в сентябре, Лидия сбила 2 самолёта — лично Ju-88 и в группе FW-190. В одном из боев её Як-1 был подбит и Лидия совершила вынужденную посадку на вражеской территории. Выскочив из кабины, она, отстреливаясь, бросилась бежать от приближающихся немецких солдат. Но расстояние между ними быстро сокращалось. Вот уже последний патрон остался в стволе... И вдруг над головами противника пронесся наш штурмовик. Поливая немецких солдат огнём, он заставил их броситься на землю. Затем, выпустив шасси, спланировал рядом с Лидой и остановился. Не вылезая из самолета, летчик отчаянно замахал руками. Девушка бросилась навстречу, втиснулась пилоту на колени, самолет пошёл на взлёт и вскоре Лидия была в полку.

23 февраля 1943 года Литвяк вручили новую боевую награду — орден Красной Звезды. Чуть раньше, 22 декабря 1942 года, она была награждена медалью "За оборону Сталинграда". К тому времени на её боевом счету уже числились 8 сбитых самолётов.В марте обстановка в воздухе ещё более осложнилась. 22 марта в районе Ростова-на-Дону Литвяк участвовала в перехвате группы Ju-88. Во время долгого и трудного боя ей удалось сбить один «юнкерс». В это время подошедшая на помощь «юнкерсам» шестёрка Me-109 с ходу пошла в атаку. Лидия заметила их первая и, чтобы сорвать внезапный удар, одна встала на их пути. 15 минут вертелась смертельная карусель. С большим трудом раненая лётчица привела искалеченный истребитель домой. Доложив, что задание выполнено, она потеряла сознание...После лечения в госпитале, она отправилась в Москву, дав расписку, что в течение месяца будет долечиваться дома. Но уже через неделю Лидия вернулась в полк. 5 мая, ещё не совсем окрепнув, Литвяк вылетела на сопровождение группы бомбардировщиков. Во время вылета завязался воздушный бой и Лидия сбила истребитель противника. Через два дня она сбила ещё один «мессер».В апреле 1943 года весьма популярный журнал "Огонёк" поместил на первой странице ( обложке ) фото боевых подруг — Лидии Литвяк и Екатерины Будановой и короткое пояснение: "12 самолётов противника сбили эти отважные девушки".

А в конце мая Литвяк в блестящей манере, молниеносной атакой со стороны солнца сбила немецкий аэростат-корректировщик, который до того никак не могли сбить другие наши истребители. За эту победу младший лейтенант Лидия Литвяк была удостоена ордена Красного Знамени. Про её подвиги написали в газетах, её имя стало известно стране.Успехи в боях омрачались, однако, потерей близких людей. 21 мая 1943 года погиб муж Лидии – Герой Советского Союза гвардии капитан Алексей Саломатин. А 19 июля не вернулась из боя лучшая подруга – Катя Буданова, которая на тот момент была лучшей женщиной-асом (11 побед).16 июля 1943 года вылетела в составе шестёрки на сопровождение штурмовиков. В районе линии фронта наши истребители вступили в бой с 30 бомбардировщиками, сопровождаемыми 6 «мессершмиттами», пытавшимися нанести удар по нашим наземным войскам. В этом бою Литвяк лично сбила «юнкерс» и в паре с ведомым Me-109, но и сама была ранена. На требование ехать лечиться ответила категорическим отказом.Не раз доводилось ей сопровождать наши штурмовики и бомбардировщики. В одном из вылетов она сбила Me-109, через пару дней — снова бой. 16 июля 1943 года, отбиваясь от трёх Me-109, Лидия пришла на помощь своему командиру И. Голышеву, на которого навалилась четвёрка «мессеров». Меткая очередь настигла вражескую машину. Но был подбит и её самолет. Преследуемая до самой земли, она сумела посадить свой «Як» на фюзеляж. Наблюдавшие за боем пехотинцы прикрыли огнем её приземление. Они были восхищены, узнав, что бесстрашным лётчиком оказалась девушка.1 августа 1943 года Лидия Литвяк не вернулась с боевого задания. В этот роковой день она совершила 3 боевых вылета. В одном из них в паре с ведомым сбила Me-109. В четвёртом вылете шестёрка Як-1, вступив в бой с группой из 30 Ju-88 и 12 Me-109, завязала смертельную круговерть. И вот уже горит «юнкерс», разваливается на куски «мессер». Выходя из очередного пике, Лидия увидела, что противник уходит. Собралась и наша шестёрка. Прижавшись к верхнему краю облаков, они пошли домой. Внезапно из белой пелены выскочил «мессер» и, прежде чем нырнуть обратно в облака, успел дать очередь по ведущему третьей пары с бортовым № 23. «Як» как бы провалился, но у земли лётчица, видимо, пыталась выровнять его... Во всяком случае, так рассказывал товарищам ведомый Лидии в этом бою — Александр Евдокимов. Это родило надежду, что она жива.