В марте Вагин вернулся в строй и вновь принял командование своим, уже гвардейским полком, который в 30-й армии участвовал в первой Ржевско-Сычевской наступательной операции. 18 августа 1942 года подполковник Л. И. Вагин назначен командиром 52-й стрелковой дивизии 30-й армии Калининского фронта. В бою 23 августа получил контузию. В январе 1943 года дивизия была переброшена на Юго-Западный фронт и передана в 3-ю танковую армию. Принимала участие в Харьковской наступательной и в Харьковской оборонительной операциях. В конце февраля 1943 года в ходе немецкого контрнаступления дивизия попала в окружение под Барвенково, при прорыве к своим понесла большие потери в людях и лишилась практически всей техники. После выхода к своим, не получив пополнения, была передана 57-й армии и занимала оборону под Чугуевым. В таком состоянии дивизия не выполнила боевой задачи, за что 3 мая 1943 года полковник Вагин был отстранён от должности командира 52-й стрелковой дивизии.