Обмен посланиями между Хрущевым и Кеннеди и согласование ими условий компромисса осуществлялись помимо Ф.Кастро, которого о советских действиях информировал Микоян. Кубинский лидер встретил решение СССР о выводе ракет с возмущением. Он считал достигнутый компромисс унижением «социалистического лагеря» и требовал дополнительных гарантий со стороны США. 28 октября Кастро огласил свои условия: прекращение любой подрывной деятельности против Кубы со стороны США и их союзников, прекращение нападений на кубинскую территорию с территории США и Пуэрто-Рико, а также вторжений в морское и воздушное пространство острова, прекращение американских полетов над Кубой, эвакуация американской базы в Гуантанамо и снятие американского торгового эмбарго. Кубинский лидер перестал принимать советского посла. О поддержке кубинской позиции заявил Китай, резко осудивший уступки СССР и назвавший их «предательством». Микоян, вновь отправленный в ноябре на Кубу, с трудом убедил Кастро не чинить препятствий для осуществления соглашения. Отношения между СССР и Кубой испортились на долгие месяцы. Они стали улучшаться лишь после визита Кастро в СССР и его встреч с Хрущевым весной 1963.

В конце октября 1962 в ООН прошли переговоры с участием представителей СССР, США, Кубы и У Тана. Американская сторона потребовала допустить своих наблюдателей на территорию Кубы, чтобы проконтролировать вывод ракет, однако кубинское руководство категорически отказалось.

В конечном счете, в результате переговоров было официально объявлено о разрешении кризиса. США отказались от каких-либо попыток сместить правительство Кастро вооруженным путем, а советские ракеты и самолеты Ил-28 в течение ноября были выведены с Кубы (причем американские наблюдатели могли проинспектировать советские корабли, увозившие военное оборудование). Американские военные суда также начали отходить из района вокруг острова. 20 ноября США объявили о снятии блокады Кубы. Кроме того, американские ракеты были удалены из Турции и Италии. На этот счет президент Кеннеди дал неофициальное обязательство и выполнил его.

Разрешение ракетного кризиса 1962, в ходе которого человечество, как никогда до сих пор, близко подошло к порогу ядерной войны, способствовало заметному улучшению международной обстановке и снижению напряженности между СССР и США. Престиж Кеннеди и Хрущева в мире выросли, поскольку их стали теперь считать государственными деятелями, оказавшимися способными на разумный компромисс и не допустившими ядерной войны. В 1963 они договорились установить прямую «горячую» телефонную линию для личных переговоров руководителей двух стран. СССР и США подписали договор о прекращении испытаний ядерного оружия на земле, в космосе и под водой, который положил начало ограничению гонки вооружений. Начали разрабатываться и обсуждаться планы сокращения числа ядерных боеголовок с обеих сторон.