Вскоре его эскадрилью перевели в Подмосковье. Там летчиков переучили летать на самом тогда современном самолете ЛаГГ-3. Потом они стали принимать участие в воздушных боях по защите Москвы. В это время Леонов сбил первый немецкий самолет – «Юнкерс-88». Скоро на его счету было уже пять сбитых самолетов противника.

В 1943 году эскадрилью перебросили под Курс, где шла активная подготовка к легендарной битве. Леонов, на самолете которого был установлен фотоаппарат, летал надлинией фронта, фотографируя немецкие позиции и перемещения войск. Там, под Курском он и потерял руку. Вступил в бой вместе с напарником против четверки вражеских самолетов. Сбил один «фокер», зацепил второго, но тут его самолет прошила пулеметная очередь. Почувствовал, что рукав стал набухать кровью, самолет загорелся. «Все, отлетался!» – подумал Леонов. С огромным трудом отстегнул ремни, сдвинул фонарь кабины и нажал на педаль катапульты. Пока летел к земле, немец попытался его уничтожить, стал стрелять. Потом пролетел совсем рядом, стараясь перерезать крылом стропы парашюта, но промахнулся.

Ивану повезло, он угодил в заросший тиной пруд, что смягчило удар о землю. Но это болото сыграло потом роковую роль. Грязь попала в рану и, когда сбитого летчика подобрали наши и доставили в госпиталь, началась гангрена. Левую руку пришлось ампутировать. Сначала по локоть, а потом и по плечо.