Сергей Королев получил несистематическое, но хорошее образование: после закрытия Одесской гимназии в основном занимался с отцом на дому и активно участвовал в деятельности авиационных кружков. С 1926 года учился в Московском высшем техническом училище имени Н.Э. Баумана. Его проекты самолетов были высоко оценены уже в студенческие годы, но после встречи в 1930 году с Константином Циолковским Королёв увлекся идеей полетов за пределы атмосферы.
С этого времени занимался конструированием ракет: в 1931 году организовал Группу изучения реактивного движения (ГИРД) и запустил первые советские жидкотопливные ракеты, с 1936 года работал в реактивном научно-исследовательском институте. Вместе с другими сотрудниками института был в 1938 арестован по обвинению во вредительстве.
Через два года переведен c Колымы в спецтюрьму, где под руководством А.Н. Туполева принимал участие в создании бомбардировщиков Пе-2 и Ту-2. В 1944 освобожден без реабилитации личным указом Сталина.
В дальнейшем руководил особым конструкторским бюро №1, готовившим советские баллистические ракеты – в частности, первую в мире межконтинентальную ракету Р-7.
Важнейшие достижения Королёва связаны с космического программой СССР: без него были бы невозможны запуск первого искусственного спутника Земли в 1957 году, запуск первых аппаратов на другое космическое тело (трех автоматических станций «Луна») в 1959 году и первые полеты человека в космос, начиная с 1961 года. В последние годы Королёв курировал проект по отправке человека к Луне, выдвинул концепцию обитаемой орбитальной станции.
Личность Королёва оставалась засекреченной до самой смерти, его имени не знали многие космонавты, и во всех документах он обозначался исключительно как «Главный Конструктор».