В 1883 году Константин Эдуардович закончил рукопись своей первой работы, посвященной перемещению в космическом пространстве. Она была написана в виде научного дневника и носила название «Свободное пространство». В ней были описаны физические явления, а также ощущения и поведение человека в среде, лишенной тяготения, обсуждалась возможность передвижения в космосе, и делался вывод, что единственным возможным способом является реактивное движение. Эту работу часто называют первым трудом по космонавтике. Сам же Циолковский писал, что к исследованиям в этой области его побудили… романы Жюля Верна.
Но не только далекие и неведомые перспективы покорения космоса интересовали ученого. Он живо интересовался и освоением воздушного пространства. В том же 1883 году Константин Эдуардович построил в Боровске монгольфьер. Через два года он приступил к созданию проекта цельнометаллического дирижабля и начал работать над рукописью книги «Теория и опыт аэростата». В 1890 году проект дирижабля Циолковского был рассмотрен Русским техническим обществом. Идеи и расчеты ученого были признаны верными, хотя денег на строительство аппарата он получить так и не смог. Во время поездки Константина Эдуардовича в Москву поддержку ему оказывали виднейшие ученые того времени: Менделеев, Сеченов, Столетов.
Успехи талантливого педагога и ученого были замечены и его непосредственным начальством. В 1892 году Циолковский получает назначение в Калужское уездное училище и в гимназию. Позже он преподавал в реальном и в женском епархиальном училищах. В 1894 году вышла статья «Аэроплан или птицеподобная (авиационная) летательная машина», в которой описывался летательный аппарат, имеющий некоторые интересные черты: пару крыльев, похожих на крылья большой парящей птицы, двигатель внутреннего сгорания, закрытую кабину и автопилот (идея создания этого устройства принадлежит Циолковскому). При этом интересы ученого не ограничивались преподаванием и научной работой. Вскоре после переезда в Калугу он опубликовал фантастическую повесть «На Луне», затем последовала книга «Грезы о земле и небе», статьи о вымышленных обитателях других планет.
В 1896 году Циолковский ознакомился с брошюрой 24-летнего офицера Александра Петровича Федорова «Новый принцип воздухоплавания, исключающий атмосферу как опорную среду». В ней молодой изобретатель описал ракетный аппарат. Задолго до этого, в 1881 году, революционер Кибальчич, находясь в ожидании казни за участие в покушении на Александра II, разработал проект летательного аппарата. Но о нем стало известно только через много лет. В любом случае, мнение о том, что именно Циолковский изобрел реактивный двигатель, является широко распространенным заблуждением. Но работа Федорова побудила Циолковского к созданию, пожалуй, самого значимого его труда «Исследование космического пространства с помощью реактивного двигателя». Работа эта была опубликована только в 1903 году, но еще 10 мая 1897 года Циолковский вывел формулу, позволявшую определить наибольшую скорость полета ракеты, зная ее массу, массу топлива и скорость истечения газов из сопла.
Не оставлял Константин Эдуардович и вопросов воздухоплавания. В том же 1897 году он построил аэродинамическую трубу, вторую в России и первую с открытой рабочей частью. Строительство трубы и изготовление моделей для исследований (более ста) ученый производил на свои средства, но три года спустя после пуска трубы он получил от Академии наук приличное пособие на эти нужды. На эти деньги неугомонный изобретатель построил новую трубу.
В 1902 году жизнь ученого омрачила страшная трагедия. Старший сын Циолковского Игнатий, студент первого курса Московского университета, покончил с собой. Игнатий писал домой бодрые и даже восторженные письма, намеревался перевестись с физико-математического факультета на медицинский и вдруг отравился цианистым калием. Причины, побудившие его к этому шагу, до конца не выяснены, известно только, что последние несколько дней он не посещал занятия и был необычайно задумчив и грустен.
Естественно, что Константин Эдуардович очень тяжело переживал случившееся. Мрачные мысли не смогло развеять и долгожданное известие – его статья «Исследование мировых пространств реактивными приборами» была наконец опубликована. В ней Циолковский не только первым обосновал возможность применения ракет для перемещения в космосе и привел свою формулу, но и доказал невозможность выхода в космос на аэростате или при помощи артиллерийского орудия, а также предложил идею навигации по Солнцу или другим звездам, проанализировал поведение ракеты в условиях невесомости. Надо сказать, что в определенной степени Циолковскому не повезло. Из-за смерти редактора была опубликована только первая часть статьи, да и то тираж был изъят. Вторая часть, изрядно переработанная и дополненная автором, вышла только в 1911–1912 годах в журнале «Вестник воздухоплавания». Она вызвала очень большой интерес и получила известность не только в России, но и за границей. Позже Циолковский писал: «Учение о реактивном звездолете только тогда было замечено, когда начало печататься вторично… в известном, распространенном и богато издающемся журнале «Вестник воздухоплавания». Тогда многие ученые и инженеры (за границей) заявили о своем приоритете. Но они не знали о моей первой работе 1903 года, и потому их претензии были потом изобличены, неизвестность работы 1903 года о звездолете спасла мой приоритет». Опубликование «Исследования мировых пространств реактивными приборами» принесло ученому известность и популярность.
Меж тем с возрастом преподавательская деятельность давалась Циолковскому все труднее. Поэтому, проработав в системе образования двадцать лет, он добился назначения ему учительской пенсии. Ученый оставил за собой только место преподавателя епархиального училища, где прилично платили и были большие каникулы. Теперь он мог гораздо больше времени уделять научной и изобретательской работе.
Константин Эдуардович не оставлял своих идей по созданию металлического дирижабля. Весной 1914 года он принял участие в III съезде воздухоплавателей, прошедшем в Петербурге. На съезде Константин Эдуардович продемонстрировал модели дирижабля, которые в целом заслужили одобрение участников. Завязались новые знакомства, появились надежды на практическую реализацию проектов. Но все надежды в итоге рухнули: 19 июля Россия вступила в Первую мировую войну.
В 1918 году Циолковский (возможно, вынужденно) работал в пролетарском университете Калуги и был избран членом-соревнователем Социалистической академии общественных наук. Ученого приглашали в Москву, но он предпочел остаться в ставшей ему родной Калуге. В 1919 году Константина Эдуардовича избрали почетным членом Русского общества любителей мироведения, а Совет Народных Комиссаров РСФСР назначил Циолковскому персональную пенсию. Но она выплачивалась нерегулярно и никак не могла удовлетворить даже самых насущных потребностей ученого и его семьи. Константин Эдуардович в течение двух лет преподавал физику, математику, астрономию и химию в единой трудовой школе 2-й ступени, но был вынужден прекратить педагогическую работу из-за ухудшения здоровья.
В 1921 году пенсия стала выплачиваться более-менее исправно. Но пожилой ученый не собирался спокойно и тихо доживать свой век: «Получил академический паек… затем пенсию, которую я получаю до сих пор, но я не оставил своих работ, напротив, никогда так усердно и много не трудился». Константин Эдуардович пишет много научных и популярных статей по самым разнообразным вопросам. В 1935 году ученому был поставлен роковой диагноз – рак желудка. Циолковский долгое время не знал о нем, но, видимо, осознавал приближение конца: он торопился и за последние восемь месяцев жизни написал более двадцати статей. 13 сентября 1935 года Константин Эдуардович написал письмо-завещание в ЦК ВКП(б), согласно которому передал все права на свои работы. Ответная телеграмма Сталина пришла 17 сентября, в день рождения Циолковского. 19 сентября ученого не стало. В последний путь его провожали 50 тысяч человек.