Весной 1944 г. Николай Николаевич стал ощущать сильные боли. С предварительным диагнозом — язва желудка — он был доставлен в Кремлевскую больницу. Более тщательное обследование позволило поставить окончательный диагноз — рак. Операция могла дать один небольшой шанс успешного исхода болезни. Но время шло, а никто из врачей Кремлевской больницы не решался на проведение операции, боясь репрессий в случае неудачного исхода. Рак прогрессировал. Марианна Николаевна Поликарпова вспоминала, как они с мамой решили обратиться к известному, но не признаваемому в сферах Кремлевской больницы хирургу С. С. Юдину из института Склифосовского. Сергей Сергеевич, рассмотрев принесенные материалы, сказал, что операция нужна, хотя проводить ее уже слишком поздно. Он поставил одно условие: операцию будет делать только в том случае, если он взглянет на человека и он понравится ему. Марианна Николаевна вспоминала, как с большим трудом, через черный вход, удалось провести хирурга в Кремлевскую больницу. Юдин открыл дверь палаты и остановился. Николай Николаевич спал, сидя в кресле, его рубашка была распахнута, и на груди блестел большой серебряный крест, завещанный его далеким предком Михаилом Поликарповым. Юдин минут пять стоял на пороге и смотрел на Поликарпова. Потом тихо закрыл дверь, повернулся к жене и дочери Поликарпова и сказал: «Я сделаю операцию».
Она состоялась 19 июня 1944 г. и продолжалась несколько часов.
После больницы и недолгого пребывания дома Николай Николаевич для поправки поехал в санаторий в Подлипках. В уютном доме Поликарповым отвели три комнаты. Николая Николаевича посещали известные врачи-консультанты, приезжали друзья, родственники, сотрудники из конструкторского бюро. Он продолжал руководить коллективом, направлять разработки.
Наступило кратковременное улучшение самочувствия. Поликарпов снова в Москве, в своей квартире. Николай Николаевич, по-видимому, знал о трагичной безнадежности своего положения и старался буквально каждую секунду из оставшихся в его распоряжении дней отдавать работе.
11 июля 1944 г. он последний раз приехал в КБ. И тогда же в рабочем кабинете его сфотографировал Владимир Демидов. Последний снимок…
В один из июльских дней Поликарпова навестил его бывший заместитель Д. Л. Томашевич. Николай Николаевич многое сделал, чтобы вызволить Дмитрия Людвиговича, репрессированного в 1938 г.
В июле 1944 г. Поликарпов направил письмо в наркомат с просьбой назначить Д. Л. Томашевича главным конструктором завода № 51.
Приведем строчки из воспоминаний В. И. Тарасова: