Etter krigen, i 1948, ble han leder for konstruksjonsbyrået Energija (tidligere NII-88). Byrået hadde sitt hovedkvarter i Kaliningrad, utenfor Moskva, og oppgaven var å utvikle raketteknologi basert på den tyske V-2-raketten. Denne teknologien ble senere brukt i rakettene som 4. oktober 1957 skjøt Sputnik 1 ut i verdensrommet, 2. november samme år også Sputnik 2 med romhunden Laika om bord og til slutt også Vostok 1 med Jurij Gagarin om bord 12. april 1961. Dermed ble Koroljov en berømt helt i Sovjetunionen, selv om hans navn ikke ble kjent blant folk flest. 1 1996 besluttet president Boris Jeltsin at byen Kaliningrad skulle omdøpes til Koroljov.