Были срочно организованы ее поиски. Однако ни самолёта, ни лётчицы найти не удалось. После гибели в одном из боёв сержанта Евдокимова, который знал в каком районе упал Лидин «Як», официальный поиск прекратили.За свою короткую, чуть более года, боевую карьеру она выполнила 186 боевых вылетов, провела 69 воздушных боёв и одержала 12 подтверждённых побед.Характеризуя её как воздушного бойца, бывший командир 273-го (31-го гвардейского) истребительного авиаполка Герой Советского Союза Б.Н. Ерёмин вспоминал: «Это была прирождённая лётчица. Она обладала особым талантом истребителя, была смела и решительна, изобретательна и осторожна. Она умела видеть воздух...»Лидия Владимировна Литвяк была представлена командованием полка к званию Героя Советского Союза посмертно. Вскоре с вражеской территории вернулся один из сбитых ранее лётчиков. Он доложил, что, по словам местных жителей, на дорогу возле села Мариновка сел наш истребитель. Лётчиком оказалась девушка — белокурая, небольшого роста. К самолету подошла автомашина с немецкими офицерами, и девушка уехала с ними... Большинство авиаторов слуху не поверили и продолжали попытки выяснить судьбу Лидии. Но тень подозрений уже вышла за пределы полка и достигла вышестоящих штабов. Командование дивизии, проявив «осторожность», не утвердило представление Литвяк к званию Героя Советского Союза, ограничившись орденом Отечественной войны 1-й степени.Как-то в момент откровения Лидия сказала механику самолёта, своей подруге: «Больше всего я боюсь пропасть без вести. Всё, что угодно, только не это». Для такого беспокойства имелись веские основания. Отец Лиды был арестован и расстрелян как «враг народа» в 1937 году. Девушка прекрасно понимала, что значит ей, дочери репрессированного, пропасть без вести. Никто и ничто не спасёт её честного имени. Судьба сыграла с ней злую шутку, уготовив именно такую участь.

Но Лидию искали, искали упорно. Ещё летом 1946 года командир 73-го гвардейского истребительного авиаполка И. Запрягаев послал в район Мариновки на машине несколько человек для поисков её следа. К сожалению, однополчане Литвяк опоздали буквально на несколько дней. Обломки Лидиного «Яка» уже были уничтожены... В 1968 году газета «Комсомольская Правда» предприняла попытку восстановить честное имя лётчицы. В 1971 году в поиск включились юные следопыты школы № 1 города Красный Луч. Летом 1979 года их поиски увенчались успехом. Находясь в районе хутора Кожевня, ребята узнали, что летом 1943 года на его окраине упал советский истребитель. Пилотом, раненым в голову, была женщина. Она похоронена в селе Дмитровка Шахтёрского района Донецкой области в братской могиле. Это была Лидия Литвяк, что подтвердилось ходом дальнейших расследований.В июле 1988 года в личном деле Литвяк запись «пропала без вести» была наконец заменена на «погибла, выполняя боевое задание». Ветераны полка, в котором она воевала, возобновили ходатайство о присвоении ей звания Героя Советского Союза.Указом Президента СССР от 5 мая 1990 года за образцовое выполнение заданий командования и проявленные мужество и героизм в боях с немецко-фашистскими захватчиками гвардии младшему лейтенанту Литвяк Лидие Владимировне посмертно присвоено звание Героя Советского Союза.Орден Ленина № 460056 и медаль "Золотая Звезда" № 11616 были переданы на хранение родственникам погибшей Героини.Награждена орденами Ленина (5.05.1990, посмертно), Красного Знамени (22.07.1943), Отечественной войны 1-й степени (10.09.1943, посмертно), Красной Звезды (17.02.1943), медалью "За оборону Сталинграда" (1943).В городе-герое Москве на доме № 14 по улице Новослободской, в котором жила Героиня и откуда она ушла на фронт, установлена мемориальная доска. Мемориальная плита установлена на мемориале на месте захоронения, в селе Дмитровка Шахтёрского района Донецкой области.