В декабре 1965 года Королёв руководил стартом автоматической станции «Луна-8» на космодроме Байконур. Старт прошел успешно, но, как и предыдущие «лунники», аппарат не смог сесть на поверхность Луны и разбился. Это расстраивало Королёва. Он мечтал с помощью лунной программы совершить важнейший шаг – высадить человека на Луну. Предстоял запуск девятой автоматической станции на Луну. Все предыдущие попытки были тщательно проанализированы, проекты по беспилотным лунным и планетным зондам переданы в КБ Георгия Николаевича Бабкина. В очередной раз интуиция Королёва не подвела: под руководством Бабкина «Луна-9» совершила мягкую посадку на Луну. Но до этого события Сергей Павлович совсем немного не дожил.
Модификации советских космических ракет-носителей 1957–1966 гг.
Приехав в Москву, Королёв отправился к врачу. Пожаловался, что совсем разболелся, что участилось мучившее с сентября кровотечение. Принял его известный хирург, министр здравоохранения СССР, академик Петровский. 14 декабря Королёва положили в больницу и, проведя обследование, сообщили пациенту, что ничего серьезного у него нет, но необходимо сделать небольшую операцию, удалить полип. Королёв согласился. Однако 16 декабря 1965 года умер ближайший помощник и друг Сергея Павловича, Л. А. Воскресенский, поэтому Королёв покинул больницу. Он тяжело переживал потерю соратников, а в особенности смерть Воскресенского. На похоронах 19 декабря Королёв сказал: «Как тяжело безвременно провожать в последний путь самого близкого, надежного помощника и преданного друга».
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.
