ממשל קנדי ​​המשיך בחיפוש אחר דרכים להדיח את קסטרו בעקבות פלישת מפרץ החזירים, תוך ניסויים בדרכים שונות להקלה בחשאי על הפלת ממשלת קובה.תקוות משמעותיות נתלו בתוכנית של התקפות טרור ופעולות ערעור יציבות אחרות המכונה מבצע נונגוס, שהוכנה תחת ממשל קנדי ​​ב-1961. לחרושצ'וב נודע על הפרויקט בפברואר 1962, ובתגובה נערכו הכנות להתקנת טילים גרעיניים סובייטים בקובה.נבהל, קנדי ​​שקל תגובות שונות.בסופו של דבר הוא הגיב להתקנת טילים גרעיניים בקובה במצור ימי, והוא הציג אולטימטום לברית המועצות .חרושצ'וב נסוג מעימות, וברית המועצות הסירה את הטילים בתמורה להתחייבות אמריקאית פומבית לא לפלוש שוב לקובה וכן עסקה סמויה להוצאת טילים אמריקאים מטורקיה.מאוחר יותר הודה קסטרו כי "הייתי מסכים לשימוש בנשק גרעיני... לקחנו כמובן מאליו שזה יהפוך למלחמה גרעינית בכל מקרה, ושאנחנו הולכים להיעלם".משבר הטילים בקובה (אוקטובר-נובמבר 1962) קירב את העולם למלחמה גרעינית מאי פעם.תוצאות המשבר הובילו למאמצים הראשונים במרוץ החימוש הגרעיני לפירוק נשק גרעיני ולשיפור היחסים, למרות שהסכם בקרת הנשק הראשון של המלחמה הקרה, אמנת אנטארקטיקה, נכנס לתוקף ב-1961.ב-1964 הצליחו עמיתיו של חרושצ'וב לקרמלין להדיח אותו, אך אפשרו לו פרישה שלווה.הואשם בגסות ובחוסר יכולת, ג'ון לואיס גאדיס טוען כי חרושצ'וב יוחס גם בהרס החקלאות הסובייטית, שהביא את העולם לסף מלחמה גרעינית וכי חרושצ'וב הפך ל"מבוכה בינלאומית" כאשר אישר את בניית חומת ברלין.