El 1941, després de la invasió alemanya de la Unió Soviètica, que va portar a la potència euroasiàtica a la Segona Guerra Mundial, es va unir a la Força Aèria Soviètica. Concretament es va unir al 586è Regiment d'Aviació de Caces, un regiment de defensa antiaèria compost exclusivament per pilots de caça femenines, i se li va assignar combatre avions de combat de la Luftwaffe alemanya sobre la ciutat de Saràtov. Després de guanyar la seva designació de combatent, va ser transferida al 434è Regiment d'Aviació de Caces. Des del 10 de setembre de 1942 va participar a la batalla de Stalingrad defensant els cels de la ciutat fins el 3 d'octubre de 1942, quan va ser transferida per participar a la propera ofensiva Velikie-Luki. El desembre de 1942, Lebedeva i el seu company d'ala van ser abatuts poc després d'haver abatut, al seu torn, un avió alemany. No obstant això, la parella soviètica va sobreviure i va tornar ràpidament a combatre.