Поступив в 1924 г. в Киевский политехнический институт на механический факультет, Королев за два года освоил в нем общие инженерные дисциплины и стал спортсменом-планеристом. Осенью 1926 г. стало ясно, что авиационное отделение при факультете открыто не будет, и Сергей перевелся на вечернее отделение МВТУ им. Баумана. Одновременно он работал разносчиком газет, столяром, а затем устроился на завод Всесоюзного авиационного объединения им. Менжинского. К этому времени юноша получил известность как способный авиаконструктор и опытный пилот, окончивший Московскую школу летчиков-планеристов. Некоторые из его планеров уже тогда обращали на себя внимание знатоков, отличаясь повышенной прочностью и чуть ли не вдвое большей удельной нагрузкой на крыло. Недаром на планере СК-3 «Красная звезда» известный летчик В. А. Степанченок впервые в мире совершил три мертвых петли Нестерова. Примечательно, что Сергей сразу готовил свои планеры для установки на них реактивного двигателя. Свой дипломный проект в МВТУ – разработку легкомоторного двухместного самолета СК-4 талантливый студент выполнил под руководством будущего академика А. Н. Туполева.
Спроектированные и построенные летательные аппараты Королева – планеры «Коктебель», «Красная Звезда» и легкий самолет СК-4, предназначенный для достижения рекордной дальности полета, – показали его незаурядные способности как авиационного конструктора. Однако юношу больше увлекали полеты в стратосфере и принципы реактивного движения. Познакомившись с работой К. Э. Циолковского «Реактивный аэроплан», он проштудировал все его книги, какие только смог достать. Идеи калужского мечтателя о полетах на другие планеты глубоко проникли в душу Сергея и овладели им на всю жизнь.
В сентябре 1931 г. вместе с талантливым энтузиастом в области ракетных двигателей Ф. А. Цандером Королев добился создания в Москве общественной организации – Группы изучения реактивного движения (ГИРД) при Центральном совете Осоавиахима, которая уже через год стала государственной научно-конструкторской лабораторией по разработке ракетных летательных аппаратов. В ней были созданы и опробованы первые отечественные жидкостно-баллистические ракеты ГИРД-09 и ГИРД-10.
В августе 1931 г. Сергей женился на своей школьной подруге Ксении Винцентини, которая после окончания Харьковского мединститута работала в Алчевске. Молодые стали жить в Москве, и спустя четыре года у них родилась дочь Наталка.
В это время Королев работал начальником отдела ракетных летательных аппаратов в Реактивном научно-исследовательском институте (РНИИ). Он руководил полетными испытаниями первых отечественных жидкостных ракет «09» (конструкции М. К. Тихонравова) и «ГИРД-Х» (конструкции Ф. А. Цандера), подготовил к печати книгу «Ракетный полет в стратосфере» и экспериментировал с крылатой ракетой «06/1». В 1936 г. молодой ученый создал конструкцию ракетоплана «318-1», обосновав технические требования к самолету с ракетным двигателем.
После расстрела маршала Тухачевского и группы командиров Красной Армии летом 1937 г. некоторые сотрудники РНИИ были арестованы как «участники троцкистской вредительской организации». Сам Сергей Павлович более года находился под секретным надзором, затем был исключен из рядов ВКП(б) и понижен в должности, а 27 июля 1938 г., после аварии во время стендового испытания ракеты, – арестован. Через два месяца Военная коллегия Верховного суда СССР осудила его на 10 лет лишения свободы, с ограничением в правах на 5 лет и конфискацией личного имущества. Местом отбывания наказания была определена Колыма, золотодобывающий прииск Мальдяк.
Летом 1940 г. Особое совещание при НКВД СССР отменило предыдущий приговор и осудило С. П. Королева на 8 лет исправительно-трудового лагеря, заменив ярлык «члена антисоветской контрреволюционной организации» на «вредителя в области военной техники». Спустя несколько месяцев мера наказания была пересмотрена, и на основании личного заявления с просьбой использовать его по специальности заключенный Королев был переведен в Центральное конструкторское бюро – спецподразделение НКВД. Там, в стенах ЦКБ-29, под руководством заключенного А. Н. Туполева уже полным ходом велись серьезные разработки нового поколения летательных аппаратов с реактивными двигателями.
Четыре года находился Королев в закрытых конструкторских бюро, или «шарашках», как называли подобные заведения сами арестанты. «Шарашки», как и сам принцип использования дешевой, но весьма квалифицированной рабочей силы, были изобретением наркома Л. П. Берии. Сюда считали за счастье попасть рассеянные по тюрьмам и лагерям ГУЛАГа, измотанные морально и физически инженеры, технологи, конструкторы, ученые…
Под руководством А. Н. Туполева Королев принимал участие в создании и производстве фронтового бомбардировщика Ту-2 и одновременно разрабатывал проекты управляемой жидкостной аэроторпеды и нового варианта истребителя-перехватчика. Это послужило поводом для перевода его в 1942 г. в другую организацию такого же лагерного типа – ОКБ НКВД СССР при Казанском авиазаводе, где велись работы над созданием самолетных двигателей новых типов. Там Королев приступил к воплощению идеи использования ракетных двигателей в самолетостроении.
В июле 1944 г. конструктор был досрочно освобожден и по окончании войны в составе Технической комиссии командирован в Германию для знакомства с немецкой трофейной ракетной техникой. В мае 1946 г. было принято секретное постановление правительства о создании в СССР отрасли по разработке и производству ракетного вооружения. Вскоре все советские специалисты были отозваны из Германии для работы во вновь созданных НИИ и ОКБ. Среди них был и Королев, который по возвращении в Москву приступил к исполнению обязанностей главного конструктора баллистических ракет дальнего действия и начальника отдела НИИ-88 по их разработке. К тому времени он уже развелся со своей женой, ведущим хирургом-травматологом Боткинской больницы, которая отказалась играть роль домохозяйки при муже, отдававшем себя без остатка работе. В мае 1947 г. Сергей Павлович женился на 26-летней Нине Котенковой, работавшей в НИИ в бюро переводов, и счастливо прожил с ней до конца своих дней.
Первой задачей, поставленной правительством перед ним и всеми организациями, занимающимися ракетным вооружением, было создание копии немецкой ракеты ФАУ-2 из отечественных материалов. Но уже в 1947 г. ученые получили задание на разработку новых баллистических ракет с большей, чем у немецкого прототипа, дальностью полета – до 3 тыс. км. В следующем году главный конструктор приступил к летным испытаниям баллистической ракеты Р-1 и в 1950 г. успешно сдал ее государственной комиссии. В те же годы Королевым были разработаны ракеты Р-2, Р-5 и Р-11, впоследствии принятые на вооружение.
В 1956 г. под руководством Королева была создана первая отечественная стратегическая баллистическая ракета с ядерным боевым зарядом Р-5М, ставшая основой ракетно-ядерного щита страны. В этот период ОКБ-1 стало самостоятельной организацией, главным конструктором и директором которой был назначен С. П. Королев. В следующем году под его руководством были созданы первые мобильные баллистические ракеты наземного и морского базирования.
В 1960 г. на вооружение ракетных войск стратегического назначения была принята первая межконтинентальная ракета Р-7, которая обеспечивала достижение первой космической скорости и возможность вывода на околоземную орбиту летательных аппаратов массой в несколько тонн. До этого с ее помощью были выведены на орбиту первые три искусственных спутника Земли. Позднее Королев, избранный в 1958 г. действительным членом Академии наук, говорил: «Он был мал, этот самый первый искусственный спутник нашей старой планеты, но его звонкие позывные разнеслись по всем материкам и среди всех народов как воплощение дерзновенной мечты человечества». Когда о первом запуске стало известно президенту США Эйзенхауэру, он воскликнул: «Если бы в России свершилась еще одна Октябрьская революция, я еще поверил бы, но в то, что русские запустили спутник, – никогда». Но самую глубокую оценку событию, по мнению Королева, дал Ф. Жолио-Кюри: «Это великая победа человека, которая является поворотным пунктом в истории цивилизации. Человек больше не прикован к своей планете…» Впоследствии Р-7 была модифицирована и превращена в трехступенчатый носитель для вывода «лунников» и полетов с человеком. Это была блестящая победа Королева и его сотрудников.