В ходе формирования эскадрилью пополнили, добавив 17 советских авиационных специалистов (в основном техников самолетов). Вооружить эскадрилью было решено истребителями Як-1.
В середине марта 1943 года французскую авиаэскадрилью перебросили на Западный фронт, оперативно подчинив командованию 1-й воздушной армии. Первоначальным местом базирования французов стал аэродром Полотняный Завод, что неподалеку от Калуги. Даже весной 1943 года, да и в последующее время ВВС Красной Армии остро не хватало хорошо подготовленных, опытных летчиков. Поэтому командующий армией генерал С.А. Худяков был благодарен судьбе за такое пополнение: ведь средний налет французского пилота составлял 857 часов, что примерно втрое больше, чем у советских летчиков-истребителей.
Однако уже первые боевые вылеты показали, что французы мало приспособлены к условиям воздушной войны на Восточном фронте. Так, летчики так и не смогли освоить взаимодействие с прикрываемыми бомбардировщиками, а управление боем с появлением вражеских истребителей почти всегда нарушалось. Это объяснялось тем, что при обучении летчиков во Франции главенствовал принцип максимальной самостоятельности в бою. Все это привело к неоправданно высоким потерям — только 13 апреля в бою были сбиты сразу три летчика.
Поэтому очень скоро «Нормандию» «от греха подальше» передали в оперативное подчинение 303-й истребительной авиационной дивизии генерал-майора Г.Н. Захарова.
В июне по инициативе французской военной миссии весь технический состав эскадрильи заменили советскими авиационными специалистами. Тогда же прибыла новая группа из восьми французских летчиков под командованием майора Пуйяда. А спустя несколько недель началось сражение на Курской дуге.
303-я ИАД и «Нормандия» приступили к активным действиям 12 июля, в первый день советского контрнаступления. В условиях крайне напряженных боевых действий французы понесли большие потери — за период с 14 по 17 июля «Нормандия» потеряла семерых летчиков, в том числе таких асов, как Тюлян и Литольф. Такой ценой она заплатила за уничтожение восемнадцати самолетов врага. Новым командиром эскадрильи стал майор Пуйяд.
Неудачи, постигшие эскадрилью, обеспокоили как командование дивизии, так и французскую военную миссию в Москве. В Москву к ее главе генералу Пети для доклада был вызван Пуйяд. В результате в конце июля «Нормандию» временно вывели из боев, для того чтобы дать летчикам отдохнуть и восстановить психологическую устойчивость. За июль — август в эскадрилью несколькими группами прибыло новое пополнение пилотов, в результате чего общая их численность втрое превысила штатную.
Вскоре по согласованию с французской миссией эскадрилья была переформирована в 1-й отдельный истребительный авиаполк «Нормандия» 32-самолетного состава немного позже переведенный на 40-самолетный штат. Параллельно с реорганизацией вновь прибывшие в полк летчики прошли переучивание на истребители Як-9.
Во второй половине августа французский полк приступил к боевым вылетам и принял участие в Смоленской операции. К концу октября на счету «Нормандии» было уже 72 (по французским данным — 77) сбитых самолетов противника при 20 потерянных летчиках. На тот момент из первой группы, прибывшей в СССР в ноябре 1942 года, уцелело всего пятеро.
В конце октября 1943 года французская военная миссия обратилась к советскому командованию с просьбой об отводе полка на зимние квартиры или, в крайнем случае, на другой участок фронта, куда-нибудь на юг, — пилотов «Нормандии» пугала приближавшаяся русская зима.
6 ноября, выполняя пожелания французов, полк был передислоцирован в Тулу и подчинен командующему ВВС Московского военного округа.
В декабре в часть прибыло очередное пополнение, в том числе несколько очень опытных летчиков. На вооружение полка поступили новые истребители Як-9Т, вооруженные 37-мм пушкой НС-37.
Во второй половине марта 1944 года в полк прибыла еще одна группа летчиков под командованием капитана Дельфино. Она должна была составить основу будущего второго истребительного авиаполка «Париж». Забегая вперед, отметим, что из-за отсутствия достаточного числа пилотов этим планам не суждено было сбыться.
Таким образом, по состоянию на 19 мая 1944 года полк насчитывал в четырех эскадрильях («Руан», «Гавр», «Шербур» и «Кан») 55 истребителей Як-9, 61 летчика-француза и 249 советских авиационных специалистов. 25 мая «Нормандия» перебазировалась на аэродром Дубровка в районе Смоленска и вновь вошла в оперативное подчинение командира 303-й ИАД генерала Захарова.
Возвращение полка на фронт оказалось омрачено гибелью командира 3-й эскадрильи капитана Лефевра, имевшего к этому моменту 10 побед. Из-за негерметичности бензопровода в кабине его истребителя уже на земле возник пожар, летчик получил тяжелые ожоги, от которых скончался. А 6 июня произошла еще одна трагедия: новичок младший лейтенант Морис Шалль (это был его первый боевой вылет) по ошибке сбил одного из лучших пилотов 18-го гвардейского авиаполка, старшего лейтенанта В.И. Архипова.
Летом 1944 года воздушные бои над Белоруссией стали ожесточенными. Французским летчикам довелось участвовать в одной из крупнейших наступательных операций Красной Армии, получившей название «Багратион».
Все лето и осень полк «Нормандия» участвовал в активных боевых действиях, надежно прикрывая войска 3-го Белорусского фронта от ударов с воздуха. В сентябре — октябре он постепенно перевооружился на самолеты Як-3.
27 октября был опубликован Указ Президиума Верховного Совета СССР о награждении орденами 25 наиболее отличившихся офицеров полка, в том числе и его командира подполковника Пуйяда. На следующий день он сдал командование майору Дельфино и уехал в Москву, а оттуда вернулся во Францию. В ноябре произошло еще несколько важных событий в жизни «Нормандии». В частности, 28 ноября полку в соответствии с существовавшей в советских вооруженных силах традицией было присвоено второе собственное наименование — «Неманский». Причем в печати и во французских документах того времени получило широкое распространение сокращение «Нормандия — Неман». В тот же день два французских пилота — Марсель Альбер и Ролан де ля Пуап — стали Героями Советского Союза.
В соответствии с ранее заключенным соглашением после года пребывания на советско-германском фронте французские пилоты получали право на длительный отпуск. Четырнадцать ветеранов полка воспользовались этим правом и уехали. После этого в «Нормандии — Неман» вместо четырех эскадрилий сформировали три, но полной штатной численности.
С 18 декабря полк вновь приступил к боевым действиям. Всего за восемь месяцев активных боев в 1944 году французские летчики совершили 2384 боевых вылета, провели 79 воздушных боев, в которых сбили 126 (по уточненным французским данным, 124) вражеских машин. Собственные потери за этот период составили 15 летчиков и 20 самолетов.
Всего по состоянию на 13 января 1945 года в полку имелось 42 Як-3 (6 неисправных) и 3 Як-9 (1 неисправный). В январе же французские летчики в составе 1-й воздушной армии были привлечены для поддержки наступления 3-го Белорусского фронта.