В июне 1942 года лётчик Дымченко был переведён на Юго-Западный фронт и воевал в 659-м истребительном авиационном полку 288-й истребительной авиационной дивизии. Ведя ожесточённые воздушные бои с противником, Пётр Леонтьевич показал себя решительным и отважным воином.
В августе 1942 года младший лейтенант Дымченко в составе группы на самолёте «Ил-4» шёл на штурмовку вражеской танковой колонны в районе Дона. Советские лётчики совершали более трёх-четырёх боевых вылетов в день. И на этот раз, несмотря на плотный огонь вражеских зенитных установок, группа сделала несколько заходов, уничтожая технику противника. Подвергшись атаке «Мессершмитта», лётчик вышел на лобовую атаку, но в последний момент нервы немецкого пилота не выдержали, и он устремил свой самолёт вверх, подставившись под огонь пулемёта советского истребителя.
18 сентября 1942 года П. Л. Дымченко присвоено очередное звание лейтенанта.