Через пять дней он снова был в строю. На этом же самолете после ремонта Лиля Литвяк произвела еще семь боевых вылетов, четыре из них — 1 августа 1943 года, и четвертый вылет, под вечер, был ее последним. Каждый вылет сопровождался воздушными боями. В третьем вылете 1 августа она сбила Ме-109. Когда подошла к самолету, чтобы лететь в четвертый раз, я стал ее отговаривать и сказал, что очень тяжело одному человеку в такую жару делать столько вылетов. Я ей сказал: «Что, обязательно тебе столько летать? Есть ведь в полку ребята!», а она ответила: «У немцев появились слабаки-желторотики, надо еще одного трахнуть». Это были ее последние слова. В то время у нее было веселое настроение и бодрое, перед взлетом она, как всегда, улыбнулась, качнула головой, подняла левую руку, закрыла фонарь кабины и пошла на взлет.

Это был тяжелый вылет. В нашей группе было 8 самолетов Ил-2 и 6 самолетов Як-1. Ведомым Лили был сержант Саша Евдокимов. Подлетая к линии фронта, наши летчики группы прикрытия увидели, что Илы уже ведут воздушный бой. В этом бою с нашей стороны была только одна потеря — погибла Лиля Литвяк. Это видел ее ведомый сержант Евдокимов. Со стороны немцев было сбито два самолета Ме-109. Воздушные бои в этот день шли по всей линии фронта, особенно от Куйбышево до Дмитровки. Когда вернулись наши летчики с боевого задания, сержант Александр Евдокимов доложил командиру полка примерное место падения самолета, где-то в районе села Дмитровка, но он предполагал, что самолет Литвяк упал за линией фронта. Самолет падал беспорядочно, не горел, и летчик не покидал самолет с парашютом — она, видно, была убита в воздухе или тяжело ранена.

Мы с Евдокимовым на второй день ездили на поиски упавшего самолета, объездили большое расстояние от Дмитровки до Куйбышево, были во многих населенных пунктах и балках, но ничего обнаружить и установить не удалось. Во всех прифронтовых поселках почти не было гражданского населения, а военные давали противоречивые разъяснения, в то время им, видимо, было не до нас, своих дел хватало. А когда наши войска освободили Донбасс, с аэродрома Макеевка мы снова ездили на поиски примерного места гибели Лили Литвяк, но снова наши старания не увенчались успехом. К этому времени основного очевидца Саши Евдокимова уже не стало в живых, он погиб в воздушном бою 25 августа 1943 года. После этого поиски от полка прекратились. Лиля Литвяк навечно зачислена была в списки 73-го гвардейского, Сталинградско-Венского Краснознаменного ордена Богдана Хмельницкого II степени истребительного авиаполка 3-й авиаэскадрильи.