В феврале 1943 года совершил первый после ранения пробный вылет. Добился отправки на фронт. В июне 1943 года прибыл в 63-й Гвардейский истребительный авиационный полк. Командир полка не отпускал Алексея на боевые задания, так как обстановка в небе накануне Курской битвы была крайне напряжённой. Алексей переживал. Ему посочувствовал командир эскадрильи А. М. Числов и взял с собой в пару на боевой вылет. После нескольких удачных вылетов в паре с Числовым доверие к Маресьеву возросло.

20 июля 1943 года Алексей Маресьев во время воздушного боя с превосходящими силами противника спас жизни 2 советских лётчиков и сбил сразу два вражеских истребителя Fw.190, прикрывавших бомбардировщики Ju.87. Боевая слава о Маресьеве разнеслась по всей 15-й Воздушной армии и по всему фронту. В полк зачастили корреспонденты, среди них был будущий автор книги «Повесть о настоящем человеке» Борис Полевой.

24 августа 1943 года Маресьеву было присвоено звание Героя Советского Союза за спасение жизни двух лётчиков и сбитие двух немецких истребителей.

В 1944 году Маресьев согласился с предложением стать инспектором-лётчиком и перейти из боевого полка в управление Вузов ВВС.

Всего за время войны совершил 86 боевых вылетов, сбил 11 самолётов врага: четыре до ранения и семь — после ранения.