עד 1929 למד קורוליוב נושאי התמחות בתעופה בבית הספר הזה. הוא חי עם משפחתו, שהיגרה למוסקבה. בנוסף ללימודיו, נהנה קורוליוב מהזדמנויות נוספות להטיס דאונים וכלי טיס ממונעים. ב-1928 תכנן קורוליוב דאון שאותו הטיס שנה לאחר מכן בתחרות. במהלך 1929 הוציאה המפלגה הקומוניסטית צו שהורה על זירוז ההכשרה של מהנדסים, וזאת עקב הצורך הדחוף של המדינה בכישוריהם. קורוליוב יכול היה לקבל תעודת גמר באמצעות הצגה של דגם מעשי לכלי טיס, והדגם שלו אושר והושלם בסוף השנה. יועצו היה לא אחר מאשר אנדריי טופולב.
קריירה מוקדמת.
לאחר שסיים את לימודיו, החל קורוליוב לעבוד בלשכה לתכנון מטוסים, שסימונה OPO-4 או "המחלקה הניסיונית הרביעית". בראשה עמד צרפתי בשם פול רישאר ובה עבדו כמה מהמתכננים הטובים ביותר של רוסיה. קורוליוב לא בלט בקבוצה זו, אך בזמן שהועסק עבד באופן פרטי גם על זוג מיזמי תכנון אישיים. אחד מהם היה תכנון דאון בעל כושר אווירובטי. ב-1930 הפך קורוליוב למהנדס מוביל בצוות שעסק בתכנון המפציץ הכבד טופולב TB-3.
ב-1930 קיבל קורוליוב לבסוף את רישיון הטיס שלו. שנה לאחר מכן, ב-6 באוגוסט 1931, נישא סרגיי לקסניה וינסנטיני, שעמה היה בקשר מ-1924. הוא הציע לה נישואים עוד אז, אך היא דחתה את ההצעה משום שרצתה לרכוש חינוך גבוה. במהלך 1930 התעניין קורוליוב במנועי דלק נוזלי. היות שתחום העניין העיקרי שלו היה כלי טיס, ראה את הפוטנציאל הגלום בשימוש במנועים כאלו להנעת מטוסים. ב-1931 הקים יחד עם פרידריך זאנדר קבוצת מחקר בנושא הנעה סילונית (GIRD). במאי 1932 הפך קורוליוב לראש קבוצת המחקר הזו.
במהלך השנים שלאחר מכן פיתחה קבוצת GIRD שלוש מערכות הנעה שונות, כל אחת מוצלחת מקודמתה. ב-1932 החל הצבא להתעניין בניסיונותיה של הקבוצה והחל לספק לה מימון. ב-1933 שיגרה הקבוצה לראשונה רקטות המונעות בדלק נוזלי, שנקראו GIRD-9 ו-GIRD-X. שיגור זה בוצע שבע שנים לאחר השיגור הראשון של טיל המונע בדלק נוזלי, שתוכנן על ידי רוברט גודרד ושוגר ב-1926, אך זכה לפרסום מועט. ב-1934 פרסם קורוליוב את עבודתו בספר "טיסת טיל בסטרטוספירה".
עם התגברות העניין הצבאי בטכנולוגיה החדשה, החליטה הממשלה ב-1933 לאחד את ארגון GIRD עם מעבדת דינמיקת גז בלנינגרד. בעקבות המיזוג נוסד מכון המחקר להנעה סילונית (RNII), שבראשו עמד המהנדס הצבאי איוואן קליימיונוב. הקבוצה הממוזגת הזו כללה מספר אנשים שהיו חסידים נלהבים של רעיון הטיסה לחלל, ביניהם ולנטין גלושקו. קורוליוב היה לסגן ראש המכון. הוא הוביל את פיתוח טילי השיוט ופיתוח של דאון מאויש ממונע רקטית.
ב-10 באפריל 1935 ילדה אשתו של קורוליוב את בתם, נטשה. ב-1936 הם יכלו להעתיק את מקום מגוריהם מבית הוריו של סרגיי לדירה משלהם. לשני ההורים היה עיסוק, וקורוליוב נהג לבלות שעות רבות במשרד התכנון שלו. באותה התקופה הוא היה מהנדס ראשי ב-RNII. בצוות ארגון RNII נמשכה עבודת הפיתוח של טילים, שהתמקדה במיוחד בתחום היציבות והבקרה. הצוות פיתח מערכות ייצוב גירוסקופ אוטומטיות, שאפשרו טיסה יציבה בכיוון המסלול המתכונן. קורוליוב היה מנהיג כריזמטי ששירת בעיקר כמנהל פרויקט התכנון. הוא היה איש תובעני שעבד קשה עם סגנון ניהול נוקשה. קורוליוב פיקח באופן אישי על כל שלבי המפתח של התוכניות והקדיש תשומת לב דקדקנית לפרטים.
גולאג.
ב-22 ביוני 1938, במהלך הטיהורים הגדולים, נכנסו אנשי נ.ק.ו.ד. לדירתו ואסרוהו. הוא נאשם בחתרנות, לכאורה עקב רצונו לעבוד על כלי טיס ממונעי דלק נוזלי יותר מאשר על טילי דלק מוצק. ככל הנראה בזבז יותר מדי כסף על פרויקט שה-RNII לא החשיב כבעל עדיפות עליונה. קורוליוב הוכה על ידי חוקריו וכך חולצה ממנו "הודאה". הוא נידון לעשר שנות מאסר. קורוליוב גילה מאוחר יותר שמתכנן המנועים הרקטיים, ולנטין גלושקו, השמיץ אותו, והדבר הוביל לאיבה ממושכת בין שניהם, כמו גם לחשדנות רבה של קורוליוב במתכננים הראשיים האחרים.
לאחר חודשי התעללות והעברה ממקום למקום (בין השאר גם בכלא נובוצ'רקסק) הגיע קורוליוב לבסוף לגולאג המפורסם, קולימה, שבסיביר. התנאים במחנה היו אכזריים, עם יחס קשה ואוכל דל, ובנוסף לכך, היה מחסור בביגוד הולם ובמחסה מפני התנאים הקשים. שיעורי התמותה במחנה היו כ-30% מאוכלוסיית הכלא מדי שנה (עשרות אלפי אנשים מתו בו מדי שנה).
חברים אחרים ב-RNII נעצרו אף הם, ונותן החסות הצבאי לקבוצה, המרשל מיכאיל טוכאצ'בסקי, הוצא להורג. רוב האישים החשובים שעבדו במכון הוצאו להורג במהלך השנים 1937–1938, וקורוליוב היה מהבודדים בקבוצה שהצליחו לשרוד. התוכנית נותרה שנים מאחור והרחק מאחורי ההתקדמות המהירה שנעשתה בגרמניה. הטיהורים של סטלין במהלך התקופה הזו החלישו באופן חמור את הצבא זמן קצר לפני הפלישה הגרמנית של 1941.
קורוליוב שרד בגולאג, אך איבד את כל שיניו, זרועו נשברה והוא פיתח מחלת לב. הוא נשאר חמישה חודשים במחנה, שהיה בנוי סביב מכרה זהב, ובילה את זמנו שם בעבודת כפיים. במוסקבה החליטו לבדוק מחדש את עניינו, והוא הועבר חזרה מערבה. בעת הנסיעה ברכבת הוא חלה בצפדינה וכמעט מת. בעקבות החקירה החוזרת הוקל עונשו של קורוליוב למאסר של שמונה שנים. בנקודת הזמן הזו מספר אנשי מפתח ברוסיה התערבו למענו, והוא לא הוחזר למחנה הגולאג. במקום זאת הועבר קורוליוב ל"שאראשקה" - סוג מחנה שבו נכלאו מדענים ואנשי מקצוע, והועסקו בפרויקטים שהוקצו על ידי הנהגת המפלגה הקומוניסטית.
לשכת התכנון המרכזית 29 (KB-29, ЦКБ-29) של הנ.ק.ו.ד. שירתה כמתקן התכנון של טופולב, וקורוליוב הובא לשם כדי לעבוד עבור מדריכו מהעבר. במהלך מלחמת העולם השנייה תכננו בשאראשקה הזו הן את המפציץ טופולב Tu-2 והן את מטוס התקיפה איליושין Il-2. הקבוצה הועברה מספר פעמים במהלך המלחמה, כשהסיבה שעמדה מאחורי ההעברה הראשונה הייתה חשש מכך שייתפסו על ידי הכוחות הגרמניים המתקדמים.
ב-1942 הצליח קורוליוב לעבור לשאראשקה אחרת תחת חסותו של מתכנן מנועי הטילים גלושקו. בשאראשקה הזו עסקו בתכנון טילים להשמדת מטוסים. קורוליוב הוחזק בשאראשקה מנותק ממשפחתו עד 1944. הוא חי בפחד מתמיד שיוּצא להורג בשל הסודות הצבאיים שהיה חשוף אליהם, והושפע עמוקות מתקופת מאסרו בגולאג, שהפכה אותו לאדם מאופק וזהיר. ב-27 ביוני 1944 שוחרר לבסוף קורוליוב (יחד עם טופולב, גלושקו ואחרים) באמצעות צו ממשלתי מיוחד, והרשעותיו הקודמות בוטלו. לשכת התכנון הועברה משליטת הנ.ק.ו.ד. לידי תעשיית התעופה המוסמכת הממשלתית. קורוליוב המשיך לעבוד בלשכה במשך שנה, שירת כסגן מתכנן תחת גלושקו וחקר מגוון סוגיות הקשורות לתכנון טילים.
טילים בליסטיים.
ב-1945 הוענק לקורוליוב העיטור הראשון שלו, אות כבוד עבור עבודתו בפיתוח מנועי טילים למטוסים צבאיים. הוא מונה לקולונל בצבא האדום. יחד עם מומחי טילים נוספים הוא נשלח לגרמניה כדי לאסוף מידע על טיל ה-V-2 הגרמני. הסובייטים נתנו עדיפות לשחזור תיעוד אבוד על ה-V-2 ולחקר חלקים שונים שנתפסו במתקני ייצור. ב-1946 החליטה הממשלה הסובייטית לחטוף כ-5,000 עובדי טילים גרמנים לרוסיה, אך הם טופלו בכבוד יחסי.
סטלין החליט להעמיד בעדיפות לאומית את פיתוח הטילים, וה"מגויסים" הגרמנים הוצבו במכון חדש שנוצר לצורך כך, ה-NII-88. פיתוח הטילים הבליסטיים הושם תחת שליטת הצבא של דמיטרי אוסטינוב, וקורוליוב שירת כמתכנן ראשי של הטילים לטווח הארוך. קורוליוב הפגין את יכולותיו הארגוניות במתקן החדש והצליח להפעיל בהצלחה ארגון ממודר ובעל תפקוד לקוי. הגרמנים במתקן הוחזקו במה שהיה כלא-בית מלאכה, שהיה מוקף בתיל ונתון תחת שמירה חמושה.
בעזרת המסמכים המשוחזרים וטילי ה-V-2 המפורקים, הקבוצה החלה לייצר העתק מדויק של הטיל. העתק זה סומן כ-R-1 ונוסה לראשונה באוקטובר 1947. בסך הכול שוגרו אחד עשר טילים, עם חמש פגיעות במטרה. זה היה דומה למידת ההצלחה הגרמנית והציג את חוסר המהימנות הבסיסית של הטיל. הרוסים המשיכו לנצל את מומחיות הגרמנים לטובת דגמי הטילים שלהם עד 1952 לערך, כשהקבוצות הראשונות החלו לחזור לבתיהן; הקבוצה האחרונה שבה לגרמניה ב-1954.
ב-1947 קבוצת ה-NII-88 בהנהגת קורוליוב החלה לעבוד על דגמים מתקדמים יותר, עם שיפורים בטווח ובמשקל הנשיאה. ה-R-2 הכפיל את הטווח של ה-V-2 והיה הדגם הראשון שניצל ראש נפץ נפרד. לאחריו בא ה-R-3, שהיה בעל טווח של 3,000 ק"מ, כך שיכול היה להגיע לאנגליה. עם זאת, גלושקו לא יכול היה לקבל מנועים לפיתוח הדחף הדרוש והפרויקט בוטל ב-1952.
באותה שנה החלה העבודה על R-5 שהיה בעל טווח צנוע יותר של 1,200 ק"מ. זה השלים את טיסתו המוצלחת הראשונה ב-1953. עם זאת הטיל הבליסטי הבין יבשתי האמיתי הראשון היה ה-R-7 סמיורקה. היה זה טיל דו שלבי שיכל לשאת עד 5.4 טון. די כדי לשאת את פצצת האטום המגושמת לטווח של 7,000 ק"מ. לאחר כמה ניסויים כושלים, שוגר ה-R-7 בהצלחה באוגוסט 1957 ונשא מטען דמה לחצי האי קמצ'טקה.
ב-1952 הצטרף קורוליוב למפלגה הקומוניסטית. היה זה צעד טקטי שבעקבותיו היה לו נוח יותר לבקש כסף הממשלה לפרויקטים העתידיים שלו. שמו "טוהר" לחלוטין רק ב-19 באפריל 1957, והממשלה הכירה בכך שהמשפט שנעשה לו לא היה צודק.
בחייו האישיים התחולל שינוי בתקופה זו. בשנת 1946 נישואיהם של סרגיי וקסניה החלו להתפרק. קסניה הייתה עסוקה בעבודתה, בזמן שלסרגיי הייתה פרשית אהבים עם אישה בשם נינה קוטנקובה. קסניה החליטה להיפרד ממנו בעקבות הבגידה, והם התגרשו ב-1948. סרגיי ונינה התחתנו ב-1949, אך היו לו פרשיות אהבים נוספות גם לאחר נישואיו השניים.
תוכנית החלל.