И все равно дело против ракетчиков не склеивалось, поэтому следователи организовали подготовку «акта технической экспертизы» работниками НИИ-3, в котором доказывались бы факты «вредительства» Королёва и Глушко. 20 июля объемный акт подписали четверо: Андрей Костиков, Леонид Душкин, Мария Калянова и Александр Дедов. Среди прочего в акте говорилось:
«Методика работы Королёва была поставлена так, чтобы сорвать выполнение столь серьезных заказов путем создания определенных трудностей, запутывания существа дела, ведением кустарного метода работ и непроизводительным расходованием средств. <…>
Королёв С. П. по своим настроениям и отношением к политической жизни института и страны ничем не отличался от Глушко. До крайности груб с подчиненными, проявляя барское пренебрежение к большинству сотрудников института, не входившим в компанию Клеймёнова, Лангемака, Глушко…»
25 августа 1938 года Верховный прокурор Андрей Януарьевич Вышинский утвердил обвинительное заключение по делу Сергея Павловича Королёва. Как свидетельствуют архивные документы, в сентябре 1938 года конструктор был включен в расстрельный список «Москва-центр» на 74 человека (под номером № 29).
25 сентября, за два дня до судебного заседания по делу Королёва, Иосиф Сталин, Вячеслав Молотов, Лазарь Каганович и Клим Ворошилов подписали этот и еще несколько списков без каких-либо замечаний. Именно они дали санкцию на расстрел конструктора и еще семи десятков человек, после чего от них уже не зависело, останется ли жив кто-либо из списка или нет – судьба арестованных передавалась в руки членов Военной коллегии Верховного суда.
На следующий день, 26 сентября, последовала конфискация имущества Сергея Королёва, включая семейные денежные средства. Тогда же прошло предварительное заседание Военной коллегии, после которого конструктора ознакомили с обвинительным заключением. 27 сентября прошло само судебное заседание под председательством Василия Васильевича Ульриха, которое решило судьбу обвиняемых из списка «Москва-центр». Из семидесяти четырех человек были приговорены к смертной казни пятьдесят девять. Все они были казнены в тот же день на спецобъекте НКВД «Коммунарка» (Калужское шоссе).
Хотя Сергей Королёв на суде не признал себя виновным, ему «назначили» десять лет лишения свободы с поражением в правах на пять лет. Конструктор был в шоке, ведь он надеялся, что суд разберется. Знал бы он, что перед Ульрихом лежала санкция на его расстрел, которой тот вполне мог воспользоваться. После оглашения приговора Королёва перевели в Новочеркасскую пересыльную тюрьму.
Когда стало ясно, что арест Сергея Королёва не был случайностью, мать конструктора, Мария Николаевна Баланина, обратилась с письмами к Сталину и Ежову, затем заручилась поддержкой героических летчиков Михаила Михайловича Громова и Валентины Степановны Гризодубовой. Позднее и сам Королёв неоднократно обращался в разные инстанции с письмами, настаивая на пересмотре дела. 13 февраля 1939 года он направил из новочеркасской тюрьмы письмо в Центральный Комитет ВКП(б) – целую тетрадь с подробными пояснениями по существу предъявленных ему обвинений. В нем он просил предоставить возможность продолжать работу над реактивным самолетом. В итоге 31 марта дело Королёва было отправлено на «проверку». Однако принятие решения затянулось, и конкретное предписание о возвращении конструктора в Москву нашло его только в ноябре 1939 года – в лагпункте золотодобывающего прииска Мальдяк на Колыме.
28 мая 1940 года новое следствие по делу конструктора было завершено, но, увы, не в пользу конструктора. Особое совещание при НКВД под председательством Лаврентия Павловича Берии приговорило Королёва к восьми годам исправительно-трудовых лагерей. Понятно, что Сергей Королёв не смирился с новым приговором и 13 июля 1940 года направил письмо Иосифу Сталину. Примечательно, что главным доводом для пересмотра дела он называл необходимость срочной разработки реактивного самолета. Никакой реакции на это письмо не последовало.