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 конце мая на участке фронта, где действовал полк, появился аэростат-корректировщик артиллерийского огня. Собранной и точной Лидии удалось его сбить. За эту победу младший лейтенант Литвяк была награждена орденом Красного Знамени.
21 мая в авиакатастрофе на Яке погиб муж Лидии Литвяк — лётчик того же полка, только что удостоенный звания Героя Советского Союза, но так и не успевший получить «Звезду», гвардии капитан Алексей Соломатин. Для Лидии гибель мужа стала тяжёлым ударом.
16 июля 1943 г. Литвяк 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 — Ме-109, но и сама была ранена.
К тому времени имя отважной лётчицы уже хорошо знали в 8-й воздушной армии. На капоте своего Як-1 она нарисовала яркую, издалека заметную белую лилию. Не раз доводилось ей сопровождать наши штурмовики и бомбардировщики. В одном из вылетов она сбила Ме-109, через пару дней, отбиваясь от трёх Ме-109, Лидия пришла на помощь своему командиру И. Голышеву, на которого навалилась четвёрка «мессеров». Меткая очередь настигла вражескую машину. Но был подбит и её самолёт. Преследуемая до самой земли, она сумела посадить свой «Як» на фюзеляж. Наблюдавшие за боем пехотинцы прикрыли огнём её приземление. Они были восхищены, узнав, что бесстрашным лётчиком оказалась девушка.
1 августа 1943 г. Лидия Литвяк не вернулась с боевого задания. За 8 месяцев она совершила 168 боевых вылетов, в 89 воздушных боях сбила лично 11 и в составе группы 3 самолёта противника (по другим данным, 4 лично и 3 в группе), уничтожила аэростат-корректировщик.
Лидия Владимировна Литвяк была представлена командованием полка к званию Героя Советского Союза посмертно. Командование дивизии не утвердило представление Литвяк к званию Героя Советского Союза, ограничившись награждением орденом Отечественной войны I степени.
Но Лидию упорно искали. Ещё летом 1946 г. командир 73-го гвардейского ИАП И.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 г. в поисках приняла участие газета «Комсомольская правда». В 1971 г. к поискам подключились юные следопыты школы № 1 города Красный Луч. Летом 1979 г. их поиски увенчались успехом. Выяснилось, что летом 1943 г. на его окраине упал советский истребитель. Пилотом, смертельно раненным в голову, была женщина. Она была похоронена в селе Дмитриевка Шахтёрского района в братской могиле. Это была Лидия Литвяк, что подтвердилось в ходе дальнейших расследований.