В больницу Сергей Павлович в декабре уже не вернулся. Но решать что-то с операцией было нужно. Он посоветовался с дочерью и с женой, все склонялись к тому, что операцию нужно делать. В начале 1966 года, приняв окончательное решение лечь в больницу, Королёв много времени проводил в конструкторском бюро, стараясь разобраться с как можно большим количеством дел. Секретарю он наказал сообщать ему в больницу о важных документах. Затем Сергей Павлович собрал совещание, напомнил всем о первоочередных работах, тепло попрощался с товарищами. Своего первого зама, Василия Николаевича Мишина, попросил взять под свой контроль дела, выделенные в бумагах красным карандашом. Велел подталкивать остальных замов, ничего не откладывать в долгий ящик.

В больнице, куда Королёв приехал 5 января, на долечивании находилась его мать. Вечером они вместе сидели в больничной палате, беседуя о прошлом и будущем. Свой день рождения Сергею Павловичу впервые в жизни пришлось отмечать в больнице. Нина Ивановна и Мария Николаевна всячески пытались поднять ему настроение, звонили друзья и соратники, поздравляя и обещая навестить. В итоге он действительно повеселел, начал шутить, подбадривать жену и мать. Весь следующий день Королёв провел с Ниной Ивановной. В успехе операции Сергей Павлович не сомневался, эта уверенность передалась и его жене.

Утром 14 января 1966 года Королёв позвонил домой: «Нина, мне сделали укол. Жду тебя, как договорились… после операции». Это был их последний разговор.

Операция началась в десять утра. Приступили к удалению полипа, как вдруг началось обильное кровотечение. Потребовалась внутриполостная операция, для которой масочного наркоза оказалось недостаточно. Нужно было ввести интубационную трубку в трахею, однако сделать этого не сумел ни один из трех опытных анестезиологов. Согласно одной из версий, все дело было в том, что после ареста в 1938 году, во время допроса, следователь сломал Королёву обе челюсти. Они неудачно срослись, поэтому он не мог широко открыть рот. Пришлось продолжать операцию под масочным эфирно-кислотным с закисью азота наркозом, опасным для людей с болезнями сердца. При вскрытии брюшной полости хирург Борис Васильевич Петровский обнаружил, что у Королёва запущенная саркома – злокачественная опухоль. Он пожалел, что не перепроверил диагноз врачей «кровоточащий полип». С большим трудом удалось ее удалить, в конце по просьбе хирурга в качестве ассистента даже был вызван А. А. Вишневский. Закончив операцию, около трех часов дня хирурги вышли из операционной и рассказали о выполненной операции Нине Ивановне. Вскоре их экстренно вызвали обратно в операционную: у Королёва внезапно остановилось сердце. Целый час пациента пытались реанимировать, но, к сожалению, старания оказались безрезультатными. В 16 часов 30 минут была констатирована смерть. Не ожидали подобного исхода хирурги, совсем не были готовы к такому близкие и друзья. Мать и дочь Сергея Павловича ждали его звонка. Время шло, они все больше беспокоились. Обе, не сговариваясь, начали звонить в больницу в попытке выяснить, что же там происходит. Узнав правду и немного придя в себя, Наталия Сергеевна вместе со своей мамой, Ксенией Максимилиановной, отправились к бабушке. «Я все знаю», – сдавленным голосом с порога сказала им Мария Николаевна. Дозвонившись в больницу, она никак не могла выяснить правду: никто не решался сказать, что ее сына больше нет. «Имейте, доктор, мужество сказать матери, жив ее сын или умер», – обратилась она к лечащему врачу. «Мужайтесь, Мария Николаевна», – ответил доктор.

Женщина не плакала, а будто окаменела. В попытке отвлечь ее от горя, внучка привезла к ней трехлетнего сына Андрея. К родным приходили и звонили люди, знавшие Королёва. Они выражали свое сочувствие семье человека, с которым вместе трудились и которого уважали. Рабочий коллектив передал матери и дочери Сергея Павловича письменные соболезнования, подписанные более чем полусотней сотрудников предприятия.

16 января в траурном зале Кремлевской больницы Мария Николаевна срезала уже поседевшую прядь волос сына, как однажды отрезала на память золотой локон от его первой стрижки.

Так как трагедия стала полной неожиданностью для всех, о смерти Главного конструктора страна узнала лишь 16 января. Было принято решение о рассекречивании его имени. Лишь теперь было названо имя загадочного Главного конструктора. Морозным днем, 17 января, тысячи людей пришли проститься с Сергеем Павловичем Королёвым. Венков было так много, что они заполнили весь зал, фойе, лестницы и вестибюль. В почетном карауле стояли члены Политбюро, космонавты, академики, военные, сотрудники предприятий, институтов и министерств. Поздним вечером тело Главного конструктора кремировали.

18 января 1966 года урна с прахом Королёва была установлена в Колонном зале. Поток людей, желавших попрощаться, был нескончаем. Затем траурная процессия двинулась на Красную площадь. На митинге выступали известные люди, среди них и первый космонавт, Юрий Гагарин. «Велико наше горе в этот скорбный час. Велика наша утрата, – с волнением произнес Гагарин. И добавил: – Все космонавты будут неуклонно продолжать развивать дело, которому отдал жизнь Сергей Павлович. Память о Сергее Павловиче навсегда сохранится в наших сердцах…» Все выступавшие говорили о Королёве как о великом человеке, ученом, конструкторе и организаторе. Отмечали его значительный вклад в науку. После траурного митинга урну с прахом перенесли к Кремлевской стене и под звуки гимна и залпа салюта установили в нише.

Похороны С. П. Королёва. Урну с прахом конструктора несут Л. В. Смирнов, М. В. Келдыш, С. А. Афанасьев. 18 января 1966 года.

Люди, не имевшие ранее возможности высказать свою благодарность и почтение Главному конструктору, теперь говорили теплые слова, адресованные Сергею Павловичу Королёву. Многие знаменитые академики, профессора, деятели науки и культуры высказали свои мысли.

Мария Николаевна, пережившая сына на 14 лет, всю оставшуюся жизнь занималась увековечиванием памяти о любимом сыне. Она рассказывала журналистам и писателям подробности детства, юности Сергея, выступала перед школьниками и студентами. Дом в Житомире, где жил с родителями маленький Сережа, заинтересовал местных жителей, ведь отсюда началась история этого выдающегося человека. Дом превратили в музей, куда Мария Николаевна передала связанные с жизнью в нем семейные реликвии, а также две пряди волос: золотую, сохраненную на память после первой стрижки сына, и седую, срезанную после его смерти. На Байконуре и в Москве также стали открываться музеи.

В Житомире, Москве и Подмосковье начали строить памятники Королёву. Его именем назвали кратеры на Луне и Марсе, а также астероид, открытый в 1969 году. Множество улиц, проспектов и площадей получили свои названия в честь академика Королёва, как и тот самый город, в котором Королёв проработал много лет и в развитие которого вложил душу.

Памятник С. П. Королёву в городе Королёве.