Lidia Litvyak est né à Moscou le . Son père, Vladimir Leontievich Litvyak, était conducteur de train et disparu pendant la Grande Purge de 1937. Elle est attirée par l'aviation dès son plus jeune âge et entre à quatorze ans dans un aéro-club, où elle effectue son premier vol en solo un an plus tard. Elle intègre ensuite l'école d'aviation de Kherson et obtient un brevet d'instructeur. Après l'invasion de l'Union soviétique, elle désire rejoindre une unité de combat, mais voit ses demandes refusées en raison de son manque d’expérience. Elle falsifie alors son temps de vol en l’augmentant d’une centaine d’heure, ce qui lui permet d’intégrer au début de l'année 1942 le 586 régiment de chasse créé par Marina Raskova, une unité équipée de Yakovlev Yak-1, qui défend la région de Saratov. Elle effectue ses premières missions de combat, de janvier à août 1942.