Koroljov var utdannet flykonstruktør og ble i 1930 en av hovedpersonene i rakettforskningsforeningen MosGIRD. Han var en av de første pionerene av kjemiske raketter. I 1932, sammen med sin kollega Valentin Glusjko, konstruerte han Sovjetunionens første rakettfly. Etter hvert oppsto det sterk uenighet mellom de to, og i 1938 ble Koroljov angitt av Glusjko for illojalitet mot staten, og dermed satt i straffarbeid i Sibir i de neste åtte år. I begynnelsen av andre verdenskrig ble Sergej Koroljov overført til et fengsel sammen med andre flykonstruktører, ettersom Stalin trengte eksperter til å bygge fly.