Trong Chiến dịch Bagration mùa hè năm 1944, Lelyushenko chỉ huy Tập đoàn quân xe tăng 4 phối hợp với Tập đoàn quân xe tăng cận vệ 3 trong đội hình của Phương diện quân Ukraina 1 tiến về phía trước chống lại Cụm tập đoàn quân Bắc Ukraina của Đức. Ngày 27 tháng 7, hai tuần sau cuộc tấn công, các lực lượng này đã đánh chiếm Lviv và tập đoàn quân của Lelyushenko sau đó thiết lập được 200 km đầu cầu Wisła vào giữa tháng 8. Tuy nhiên, thương vong rất cao và tập đoàn quân phải dừng lại và bổ sung. Mãi đến năm sau, đơn vị của ông mới bắt đầu trở lại chiến trường.