Дочь Королёва, Наташа Королёва, оставила краткий, но емкий отчет о том, что произошло: «Хирург… начал операцию в 8 часов утра, применив ректоскоп для удаления полипов эндоскопическим способом. На операционном столе у моего отца началось сильное кровотечение, которое не могли остановить. Петровский вскрыл брюшную полость, чтобы прекратить кровотечение, и обнаружил злокачественную опухоль, которая была не выявлена до этого». В тот момент Петровский оказался в сложнейшей ситуации и яростно пытался спасти жизнь своего пациента. Дочь Королёва описала последние минуты своего отца: «Петровский начал удалять часть прямой кишки, чтобы извлечь опухоль. На это ушло много времени. Отец пролежал под маской с анестезией восемь часов. Следовало бы ввести в его легкие трубку, но его челюсти были сломаны в тюрьме, поэтому этого нельзя было сделать. Его сердце было в плохом состоянии, и Петровский это знал. Он закончил операцию, но отец так и не пришел в сознание».
Смерть Королёва, такая неожиданная и катастрофическая, привела отряд советских космонавтов в отчаяние. Гроб с его телом был выставлен в Колонном зале Дома Союзов, вблизи Кремля, что явилось запоздалым признанием долгому служению Королёва Советской стране. Открытый гроб стоял на высоком пьедестале в богато украшенном зале, в окружении белых колонн, увитых красными и черными лентами, и был усыпан цветами. Во время церемонии прощания, когда мимо гроба шел бесконечный поток людей, в зале звучала музыка Чайковского и Бетховена. Впервые Сергею Петровичу Королёву была публично выражена признательность в некрологе, напечатанном в газете «Правда» вместе с его фотографией. Ему были отданы и другие почести Советского Союза, включая специальный парад на Красной площади. Тело Королёва было затем кремировано и его прах помещен в Кремлевскую стену — честь, которой его удостоили главные руководители Советского Союза — Брежнев и Косыгин. Даже в New York Times 16 января 1966 года появилось сообщение о смерти Королёва, напечатан некролог, и читатели газеты узнали, что он был конструктором советских искусственных спутников и пилотируемых космических кораблей.
Сразу после смерти Королёва советскую космическую программу возглавил Василий Мишин. Он обладал значительным опытом и талантом, был одним из главных помощников Королёва и имел репутацию знающего инженера. Однако Мишину не хватало харизмы Королёва и его обширного опыта вращения в высших эшелонах советской бюрократии. По характеру он был осторожным и методичным администратором и не сумел продемонстрировать стиль смелого руководства, который годами был стилем Королёва. Мишин не стал сразу сокращать число конкурирующих программ. Однако он продолжил разработку Н-1, серии «Союз», экспериментальных лунных зондов серии «Космос» и «Зонд». Стыковка непилотируемых «Космоса-186» и «Космоса-188» представляла серьезное достижение, которого добились под руководством Мишина сразу вскоре после смерти Королёва. Мишин будет руководить советской космической программой до середины 70-х годов.
Заветы Королёва продолжали формировать советскую космическую программу до конца 60-х годов. Лунная ракета Н-1, которая задумывалась еще в 1958 году, являлась советским вызовом «Сатурну-5». Хотя советские военные, прежде всего руководство ракетных войск стратегического назначения, были против дорогостоящих космических программ, Королёв брал верх. Параллельная программа разрабатывала конструкцию космического корабля Л-3, который предназначался для будущих полетов на Луну с помощью все еще не испытанной ракеты-носителя Н-1. Когда Хрущеву оставалось несколько месяцев пребывания у власти, он также одобрил вторую космическую инициативу ОКБ-52, предложенную Владимиром Челомеем: отправить двух космонавтов на орбиту вокруг Луны на космическом корабле ЛК-1. Теперь Челомей работал над мощной ракетой-носителем УР-500, или «Протон», которая была конкурентом Н-1. Угроза, исходящая от проекта «Аполлон», которую чувствовал Хрущев, заставила его одобрить эти честолюбивые космические программы. Когда в октябре 1964 года место Хрущева занял Леонид Брежнев, он также поддержал эти долгосрочные космические программы Советского Союза.
В последний год своей жизни Королёв использовал призрак «Аполлона» для получения поддержки у высших советских политических руководителей, но всегда сталкивался с сопротивлением своего давнего соперника Валентина Глушко. Они вели ожесточенные споры по поводу конструкции Н-1. Королёв осознавал, что новой ракете нужны мощные двигатели, чтобы поднять на орбиту проектируемый груз весом более сотни тонн. Следовательно, он выступал за разработку двигателей, работающих на топливе из смеси жидкого кислорода и жидкого водорода. По его представлению, эта охлажденная до низких температур криогенная смесь создавала оптимальную подъемную силу для ракеты Н-1. Его сильный соперник Глушко был убежденным сторонником долго сохраняющегося ракетного топлива, такого как азотная кислота, и утверждал, что криогенное топливо по своей природе нестабильно. Тогда, в 1962 году, Королёв победил в этом ожесточенном споре, и его подход получил официальное одобрение. Тогда Глушко отошел от проекта Н-1, и его отношения с Королёвым стали весьма натянутыми. Со временем Глушко перешел к Челомею, где работал над двигателем РД-253 для ракеты-носителя «Протон». Оказавшись в безвыходном положении, Королёв обратился тогда к Николаю Кузнецову, конструктору авиационных турбореактивных двигателей, чтобы тот спроектировал и создал двигатели для Н-1. У Кузнецова была репутация талантливого конструктора, но ему не хватало знаний и опыта Глушко. Внутренняя борьба продолжалась до 1965 года, когда Королёв прилагал усилия, чтобы проект Челомея ЛK-1 был закрыт. Королёв добился того, чтобы вместо этого проекта был создан корабль Л-1, который в итоге был отправлен на окололунную орбиту. Л-1 — модифицированная версия космического корабля «Союз» запускалась с помощью трехступенчатой ракеты Челомея «Протон», ставшей первой советской ракетой-носителем, прототипом которой не была военная ракета.
По мере того как полеты «Аполлона» подбирались все ближе к Луне, почтенный «Союз» послужил для еще одного яркого космического представления. В январе 1969 года «Союз-4» и «Союз-5» произвели стыковку на орбите, и два космонавта совершили захватывающий переход из одного космического корабля в другой. Серия космических «Зондов» была спроектирована на основе конструкции «Союза» и стала еще одним созданием русских в конце 60-х годов. Непилотируемые «Зонды» представляли значительное достижение космической навигации и намекали на далеко идущие планы русских совершить облет Луны или даже совершить на нее посадку. «Зонд-5» поставил новый рекорд, облетев Луну и вернувшись на Землю в сентябре 1968 года, всего лишь за несколько месяцев до исторического полета «Аполлона-8». Непилотируемый космический корабль сделал снимки Земли, находясь над лунной поверхностью. В ноябре «Зонд-6» сделал серию замечательных снимков обратной стороны Луны. Аппараты «Зонд» наводили на мысль о том, что русские всерьез готовятся к пилотируемому полету на Луну. Чрезвычайно важным компонентом любой советской пилотируемой миссии к Луне была ракета-носитель Н-1. Состыкованная с модулем Л-3, ракета-носитель Н-1 была огромной по своим размерам: ее длина была 105 м, и ее вес был свыше 2700 т. Высота Н-1 была почти такой же, что и высота «Сатурна V», которая составляла 111 м. Однако и внешне, и конструктивно Н-1 была совершенно иной, имея другие очертания и соединения между ступенями. Первая ступень Н-1 представляла собой сложную систему из 30 двигателей с предполагаемой силой тяги в 4500 т; вторая ступень имела восемь двигателей, третья — четыре, все они работали на летучей смеси жидкого кислорода и керосина. Создаваемая в спешке и имевшая ракетные двигатели, созданные неопытным Кузнецовым, Н-1 была обречена на катастрофу. Драматическое испытание Н-1 состоялось на Байконуре 21 февраля 1969 года. Запуск был назначен, хотя двигатели не прошли полного наземного испытания. Двигатели включились, первая ступень взревела, охватив дымом и пламенем стартовую площадку, и весь полигон содрогнулся. Но через 80 секунд полета двигатели первой ступени заглохли, и ракета врезалась в землю в 100 км от стартовой площадки. Злополучная супер-ракета взорвалась в пустынной окрестности Байконура. Второй запуск Н-1 состоялся 3 июля, и ракету поглотило пламя через несколько секунд после старта. Взрыв второй ракеты Н-1 покончил со всякими надеждами русских совершить полет вокруг Луны и не отстать от американской программы «Аполлон». Два дополнительных запуска Н-1, также неуспешных, произошли в июне 1971-го и в ноябре 1972 года, и этот неудачный эксперимент в ракетостроении закончился.
