Seulement quelques jours après l'invasion allemande de l'Union soviétique en 1941, Amosova et plusieurs autres femmes instructrices envoient une lettre demandant à être envoyées au front. Tandis que les étudiants de sexe masculin sont déployés sur le champ de bataille, les instructrices de vol doivent rester dans la république du Bachkirie pour former de nouveaux cadets. Grâce à leur pugnacité, on leur propose de se tourner vers Marina Raskova, fondatrice de trois régiments d'aviation féminins. À la réception de cette lettre, Amosova s'envole immédiatement pour Moscou pour rencontrer Raskova, qui l'accepte dans son régiment. Après avoir obtenu son diplôme de la en avec le grade de lieutenant, elle est déployée sur le front sud en tant que commandante d'escadron. Étant l'une des pilotes les plus expérimentées du régiment, elle gravit rapidement les échelons et reçoit l'ordre du Drapeau rouge en , devenant l'un des premiers membres du régiment à recevoir cette distinction. Elle est décrite par ses collègues comme une « excellente pilote, prudente, qui jamais n'a élevé la voix ou ne s'est mise en colère ». Lors de sa première sortie, elle vole avec la navigatrice Larissa Litvinova, qui devient plus tard une Héroïne de l'Union soviétique, suivant attentivement l'avion de la commandante du régiment, Ievdokia Berchanskaïa accompagnée de .