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
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.