Параллельно с подготовкой к пилотируемым полётам ведутся работы над спутниками научного, народнохозяйственного и оборонного назначения. В 1958 году разрабатываются и выводятся в космос геофизический Спутник-3, а затем и парные спутники«Электрон» для исследования радиационных поясов Земли. В 1959 году создаются и запускаются три автоматические станции к Луне: «Луна-1» пролетела вблизи Луны, «Луна-2» впервые в мире совершила перелёт с Земли на другое космическое тело, доставив на Луну вымпел Советского Союза, «Луна-3» впервые выполнила фотографирование обратной (невидимой с Земли) стороны Луны. В дальнейшем С. П. Королёв начинает разработку более совершенного лунного аппарата для мягкой посадки на поверхность Луны, фотографирования и передачи на Землю лунной панорамы (объект Е-6).
Человек в космосе
12 апреля 1961 г. С. П. Королёв снова поражает мировую общественность. Создав первый пилотируемый космический корабль «Восток-1», он реализует первый в мире полёт человека — гражданина СССР Юрия Алексеевича Гагарина по околоземной орбите. Сергей Павлович в решении проблемы освоения человеком космического пространства не спешит. Первый космический корабль сделал только один виток: никто не знал, как человек будет себя чувствовать при столь продолжительной невесомости, какие психологические нагрузки будут действовать на него во время необычного и неизученного космического путешествия.
За подготовку первого полёта человека в космос С. П. Королёв был вторично удостоен звания Героя Социалистического Труда (указ не публиковался).
Вслед за первым полётом Ю. А. Гагарина 6 августа 1961 года Германом Степановичем Титовым на корабле «Восток-2» был совершён второй космический полёт, который длился одни сутки. Опять — скрупулёзный анализ влияния условий полёта на функционирование организма. Затем совместный полёт космических кораблей «Восток-3» и «Восток-4», пилотируемых космонавтами А. Г. Николаевым иП. Р. Поповичем, с 11 по 12 августа 1962 года; между космонавтами была установлена прямая радиосвязь. На следующий год — совместный полёт космонавтов В. Ф. Быковского и В. В. Терешковой на космических кораблях «Восток-5» и «Восток-6» с 14 по 16 июня 1963 года — изучается возможность полёта в космос женщины.
С 12 по 13 октября 1964 года на более сложном космическом корабле «Восход» в космосе был экипаж из трёх человек различных специальностей: командира корабля, бортинженера и врача.
Первый в мире выход в открытый космос состоялся 18 марта 1965 года во время полёта корабля «Восход-2» с экипажем из двух человек. Космонавт А. А. Леонов в скафандре вышел через шлюзовую камеру и находился вне корабля около 20 минут.
Проект орбитальной станции
Продолжая развивать программу пилотируемых околоземных полётов, Сергей Павлович начинает реализовывать свои идеи о разработке пилотируемой ДОС (долговременная орбитальная станция). Её прообразом явился принципиально новый, более совершенный, чем предыдущие, космический корабль «Союз». В состав этого корабля входил бытовой отсек, где космонавты могли долгое время находиться безскафандров и проводить научные исследования. В ходе полёта предусматривались также автоматическая стыковка на орбите двух кораблей «Союз» и переход космонавтов из одного корабля в другой через открытый космос в скафандрах. Сергей Павлович не дожил до воплощения своих идей в космических кораблях «Союз».
Лунный проект
Ещё в середине 1950-х годов Королёв вынашивал идеи запуска человека на Луну. Соответствующая космическая программа разрабатывалась при поддержке Н. С. Хрущёва. Однако эта программа так и не была реализована при жизни Сергея Павловича из-за отсутствия единоначалия (программа разрабатывалась под руководством Минобороны СССР, в котором Королёв не работал), разногласий с главным конструктором ракетных двигателей В. П. Глушко, а также смены руководства КПСС —Л. И. Брежнев не придавал лунной программе такого значения, как Хрущёв. После смерти Сергея Павловича программа запуска космонавтов на Луну была постепенно свёрнута. Советская программа освоения Луны в дальнейшем производилась с помощью беспилотных космических кораблей.
Награды и звания
Дважды Герой Социалистического Труда
Награждён тремя орденами Ленина, орденом «Знак Почёта» и медалями.
· Лауреат Ленинской премии.
· Академик АН СССР.
· Почётный гражданин городов Королёв, Калуга и Байконур.