Королёва отправили в Боткинскую больницу. На следующий день, навестив его, Палло узнал, что удар трубки вызвал у конструктора сотрясение мозга, образовав трещину в лобной части черепной коробки. Сергей Королёв пролежал в больнице около трех недель, потом несколько дней провел дома, а затем был выписан на работу, хотя выздоровел еще не полностью.
1 июня по предложению Андрея Костикова директор института Борис Слонимер издал приказ о приостановлении работ над ракетопланом. 27 июня 1938 года Сергея Павловича Королёва, который еще даже не успел оправиться после травмы, арестовали как «активного участника антисоветской троцкистской организации». При этом конструктор подпадал под 7-й и 11-й пункты 58-й статьи Уголовного кодекса РСФСР, принятого в 1926 году: пункт 7-й – подрыв промышленности, транспорта, торговли, денежного обращения (то есть «вредительство») – до расстрела; пункт 11-й – действия, готовившиеся организованно, – до расстрела.
Королёва увезли в знаменитую «Бутырку» – Бутырскую тюрьму (Новослободская улица, дом № 45). По прибытии туда конструктор заполнил «анкету арестованного», в левом верхнем углу которой значилось «вредит.». В тот же день его сфотографировали анфас и в профиль и вызвали на допрос к следователю госбезопасности Быкову. На вопрос: «Вы арестованы за антисоветскую деятельность. Признаете себя виновным?» – был дан ответ: «Нет, не признаю. Никакой антисоветской деятельностью я не занимался».
Однако уже на следующий день Сергей Королёв подписал заявление на имя народного комиссара внутренних дел Николая Ивановича Ежова, где сознавался «в антисоветской вредительской деятельности». Почему? Позднее он напишет, что к нему применялись репрессивные меры (его унижали, избивали, издевались), но объяснить этим такое быстрое признание несуществующей вины невозможно – тот же Валентин Глушко продержался намного дольше. Объяснение оказалось простым, и Королёв сам рассказал об этом своей жене и матери в ноябре 1944 года, когда после освобождения впервые приехал на несколько дней в Москву. После того как другими методами воздействия заставить его признать себя виновным не удалось, следователь применил жестокий психологический прием, заявив, что если Королёв сегодня не сознается, то завтра будет арестована его жена, а дочь отправится в детский дом. Королёва охватил ужас, и он решил во имя спасения семьи соглашаться на допросах с любыми, пусть самыми абсурдными, обвинениями, а на суде попытаться все отвергнуть и доказать свою невиновность.
