Для второго этапа летных испытаний было подготовлено двадцать ракет. При испытаниях осенью 1949 года семнадцать ракет этой партии выполнили свою задачу. После всех проведенных испытаний постановлением Совета министров от 25 ноября 1950 года ракета «Р-1» была принята на вооружение Советской армии с комплексом наземного оборудования, а в 1952 году запущена в серийное производство на заводе № 586 в Днепропетровске.

Еще будучи в Германии и изучая трофейную технику, Сергей Королев понял, что на основе «V-2» можно создать более совершенную ракету с дальностью до 600 км. Установив, что немецкий двигатель поддается форсированию по тяге, конструктор предложил пять вариантов новой ракеты, один из которых был принят за основу.

Предполагалось, что ракета, получившая обозначение «Р-2», будет аналогична «V-2», но с удлинением цилиндрической части на 1,9 м, что давало возможность для значительного увеличения емкости баков. Несмотря на крайне сжатые сроки и высокую занятость специалистов, к концу 1946 года удалось подготовить полный комплект чертежей, пояснительную записку и даже изготовить три опытных образца «Р-2».

25 апреля 1947 года состоялась защита эскизного проекта ракеты «Р-2» на самом первом заседании ученого совета НИИ-88. Однако прямое копирование немецких решений не устраивало Сергея Королева. Кроме того, расчеты указывали, что удлиненная ракета будет просто разваливаться при возвращении в атмосферу. Ссылаясь на работы Константина Циолковского, главный конструктор предложил делать боеголовку ракеты отделяемой. Идея вела к другим доработкам, значительно изменяющим схему «Р-2» в сравнении с «V-2»: появилась возможность освободиться от защитной оболочки баков, сделав их несущими, а также упростить хвостовой отсек, убрав стабилизаторы.

Запуски первой серии ракет «Р-2» проходили на полигоне в октябре – декабре 1950 года. Было запущено двенадцать ракет: пять потерпели неудачу на активном участке траектории из-за отказов системы управления и двигательной установки, а у семи было отмечено разрушение головной части из-за перегрева на участке спуска. Принятые технические меры позволили увеличить надежность, и из тринадцати ракет «Р-2» второго этапа испытаний двенадцать достигли цели.

Благодаря внесенным усовершенствованиям ракета «Р-2» могла доставить на космическую высоту не только блок оборудования (как «V-2» или «Р-1»), но и герметичную капсулу с человеком внутри. Так, поздняя модификация «Р-2А» поднимала головную часть массой 860 кг на высоту 200 км, а шарообразная герметичная гондола знаменитого стратостата «СССР», рассчитанная на трех стратонавтов, весила всего-то 280 кг. При этом система отделения головной части позволяла осуществить эвакуацию гондолы на любом участке траектории. Такой вариант был вполне реален, но Королев всерьез не рассматривал его – прежде всего «Р-2» должна была стать оружием.

К исходу 1949 года рамки отдела № 3 НИИ-88 стали тесны для быстро растущего конструкторского коллектива под руководством Сергея Королева, и 30 апреля 1950 года вышел приказ о преобразовании его «фирмы» в Особое конструкторское бюро № 1 (ОКБ-1) по разработке ракет дальнего действия.

Тем временем на передний план вышла тема создания мощной межконтинентальной ракеты, способной донести атомный заряд до США. Однако необходима была и ракета, поражающая цели в оперативной глубине обороны противника. Такой ракетой стала одноступенчатое «изделие», получившее обозначение «Р-5». Она должна была иметь дальность полета, вдвое превышающую дальность предыдущего серийного изделия. И именно «Р-5» Сергей Королев всерьез рассматривал в качестве носителя для полета человека на околоземную орбиту.