Все лечение велось под руководством известного советского невропатолога, члена-корреспондента Академии наук СССР профессора Н. И. Гращенкова. Лечащими врачами в больнице № 50, куда Ландау попал сразу после катастрофы, а потом в институте нейрохирургии были доктора Корнянский, Федоров и Поляков. В лечении участвовали многие выдающиеся советские и иностранные врачи, в частности профессор Б. Г. Егоров, а позже лауреат Нобелевской премии профессор Пенфилд из Канады, профессор Кунк из Праги, профессора Гарсен и Гийо из Франции.
На следующую ночь состояние академика Ландау заметно ухудшилось: пульс ослабел, дыхание часто прерывалось. Поэтому ему произвели трахеотомию: вскрыли дыхательное горло, ввели в него трубку и при помощи специального дыхательного аппарата стали «дышать за больного». И это позволило врачам устранить лишь некоторую часть опасностей. Наибольшее беспокойство вызывали слабая деятельность сердца и повреждение головного мозга. Ведь крупные нервные центры, заведующие деятельностью сердца и дыханием, лежат именно в той части головного мозга, которая у Ландау была повреждена.
Была лишь одна возможность получить доступ к этому месту и удалить кровь и сгустки, по-видимому скопившиеся там. Череп вскрыли в той области, где рассчитывали найти сгустки крови. Но оказалось, что кровоизлияние не столь значительно, как предполагали. Зато обнаружили большое скопление снинно-мозговой жидкости, которая не могла вследствие повреждений и отека мозга удаляться естественным путем и потому давила на центры, управляющие дыханием. Ее удалили отсасывающим аппаратом и, кроме того, сделали прокол спинно-мозгового канала, чтобы ослабить давление жидкости в спинно-мозговом канале.
Вмешательство оказалось вполне успешным, но отек мозга не удалось сразу и полностью устранить. В последовавшие за этим дни и недели надежды то появлялись, то исчезали. Одно осложнение сменялось другим. Сначала наступил паралич кишечника, затем большую тревогу вызвало скопление жидкости, что свидетельствовало о недостаточности кровообращения; время от времени останавливалось дыхание. Но с осложнениями каждый раз удавалось справиться и, несмотря на критическое положение, сохранить жизнь больному.
Аппарат для искусственного дыхания, примененный с самого начала, работал безукоризненно, но тем не менее наблюдались расстройства дыхания, так как и легкие пострадали во время несчастного случая. В первые недели развилось двустороннее воспаление легких.
