為了保持航天領先地位，赫魯曉夫下令研製載人飛船。承擔該項任務的柯洛廖夫提出了采用“水星”計劃所設想的海上回收方案，以確保航天員的安全。但是赫魯曉夫認為一艘前蘇聯載人飛船必須在本國領土上降落。如果在公海上濺落，那麼西方航天技術專家和新聞記者就都可以到現場去，這樣就無法避免前去迎接航天員的柯洛廖夫及其得力助手、火箭專家沃斯克裏森斯基公開露麵。後者當時也處於被“保護”的狀態。
為了遵從赫魯曉夫關於飛船隻能在本國領土著陸的政治規定，柯洛廖夫隻得采取加固飛船回收裝置的措施，但這必將大大增加飛船的重量，而當時還沒有如此大推力的運載火箭。經過反複討論，最後決定采取一種折衷的冒險方案：在返回艙著陸之前，把航天員彈射出去，讓其乘降落傘著陸，而笨重的座艙則任其衝撞地麵。在航空事業中，飛行員乘降落傘著陸已是一項成熟的技術。但是飛船返回的速度大大超過飛機飛行的速度，因此，從高速衝向地麵的飛船上彈射乘降落傘著陸的方式對航天員的生命安全威脅極大。1960年12月用動物作彈射降落試驗時就發生了死亡事故。
高度的責任心不允許柯洛廖夫讓自己設計的飛船把航天員帶向死亡，可是赫魯曉夫的命令又不能違抗。動物試驗失敗後由於高度的精神負擔和沉重的壓力，柯洛廖夫第一次心髒病發作。他被迫住院治療。檢查中醫生們還發現他的腎髒也有嚴重的疾患。從監獄和集中營出來的人難免這類疾病。醫生們勸他們的病人長期療養，但柯洛廖夫清楚地知道，美國的載人計劃正穩步前進，時間不允許前蘇聯科學家有任何的懈怠。
於是，柯洛廖夫決定拚死搏鬥。出院後，他不但未去療養，反而和他的同事們一起日夜奮戰在設計室和試驗場。
科學家們嘔心瀝血、日夜兼程，僅僅用了3個月的時間就製造出了3枚火箭。2枚用來作動物試驗，1枚用來正式發射載人飛船。1961年3月9日和25日，2枚載動物的試驗火箭均告成功。1961年4月12日，世界上第一艘載人飛船終於發射成功；人類第一名航天使者加加林安全返回地麵。但是，在莫斯科紅場舉行隆重的歡迎儀式時，柯洛廖夫這位開辟載人航天新紀元的偉大功勳仍不得露麵，隻有赫魯曉夫和加加林在紅地毯上踏著方步，揮動著鮮花向歡騰的人群微笑、致意。
在通向太空的征途上一次又一次的巨大成功，當然也給柯洛廖夫帶來了寬慰和快樂。但作為一位嚴謹的科學家，他深知還有許多關鍵技術在等待他去攻克。1961年以後，柯洛廖夫擬訂了一個載人航天發展規劃，希望發射大量的衛星式飛船，反複試驗、改進，以穩步提高航天技術。
但是，赫魯曉夫對“穩步提高”毫無興趣，隻批準了其中的他認為可以爭得“第一”的“第一個女航天員發射計劃”和“編隊飛行”計劃。科學家征服宇宙的科學途徑，不得不隨著政治家的需要和意願改變。1963年，美國研製雙人飛船的消息傳到了前蘇聯。赫魯曉夫又立即提出搶先發射三人飛船的指示。時間太緊，柯洛廖夫覺得毫無把握。但是上邊的精神不能違拗。否則難免再遭清洗，重做“開挖金礦”的苦役。於是他隻好硬著頭皮將原來的單人飛船座艙重新布局，讓航天員冒著生命危險脫掉航天服，以便3名航天員能同時塞進去。就這樣，1964年前蘇聯又搶了個“第一”，完成一次所謂的“三人飛行器”的飛行。
1965年，與柯洛廖夫長期共事的傑出工程師沃斯克裏森斯基突然病逝，終年隻有52歲。沃斯克裏森斯基也受過多年鐵窗生活的磨難，承擔了近10年來神經高度緊張的工作壓力，最後短命夭折，默默無聞地走進墳墓。戰友的突然離去，不僅使柯洛廖夫失去一位最得力、最默契的合作夥伴，同時也使他看到了自己一生的縮影。因為他們二人有著幾乎完全相同的經曆和遭遇。沃斯克裏森斯基的死，使柯洛廖夫的精神又受到一次嚴重的打擊。
柯洛廖夫剩下的日子也不多了。生活的坎坷、精神上的打擊、工作的壓力、病魔的折磨，已經使柯洛廖夫心力衰竭。尤其不幸的是，1966年1月，在一次痔瘡手術中，這位傑出的科學家竟死於一個酒鬼醫生的刀下，終年58歲。
柯洛廖夫將畢生的精力和非凡的創造性勞動奉獻給了前蘇聯航天計劃的實現。他的去世，對前蘇聯，乃至全人類的航天事業是一個重大的損失。對於整個科技史而言，一個人的貢獻總是有限的，但一個人的工作有時又是關鍵的、不可缺少的。柯洛廖夫死後，前蘇聯第一次飛船發射就失敗了，接著，運載火箭“質子”號的試驗又遭失敗，幾千萬盧布付之東流。隨後，又有3名航天員為航天業獻出了寶貴的生命。許多航天專家認為，如果這位天才的科學家不是過早地去世，前蘇聯一定會贏得後來的登月競賽。第一個踏上月球表麵的將是前蘇聯的航天員。