Le 28 juillet, alors qu'elle attendait le signal d'alerte dans son avion, Lilya dicta ce qui devait être sa dernière lettre à sa mère : « Je suis complètement absorbée par la vie militaire. Ce n'est pas facile pour moi de trouver même une minute pour te parler de moi, te dire que je suis toujours vivante, que je vais bien et que par dessus tout, j'aime mon pays et toi ».
Sa dernière mission se déroula le ler août 1943. Lilya et son ailier, Viktor Tabounov, à la tête d'une formation de neuf Yak-1, engagèrent le combat avec une quarantaine de chasseurs allemands. Tabounov fut le dernier à voir Lilya lorsque, poursuivant trois Bf 109, elle pénétra dans un nuage. Son corps ne fut retrouvé et identifié qu'en 1989.
Bien que proposée depuis longtemps pour être nommée Héros de l'Union Soviétique pour ses exploits pendant la bataille de Koursk, elle ne reçut cette distinction qu' à titre posthume. Mikhail Gorbatchev devait lui décerner l'Étoile d'Or en 1990.