В 1915 году поступил в подготовительные классы гимназии в Киеве, в 1917 году пошёл в первый класс гимназии в Одессе, куда переехали мать, Мария Николаевна Баланина, и отчим — Георгий Михайлович Баланин. В гимназии учился недолго — её закрыли; потом были четыре месяца единой трудовой школы. Далее получал образование дома — его мать и отчим были учителями, а отчим, помимо педагогического, имел инженерное образование. Ещё в школьные годы Сергей интересовался новой тогда авиационной техникой, и проявил к ней исключительные способности. В 1922—1924 учился в строительной профессиональной школе, занимаясь во многих кружках и на разных курсах.
В 1921 познакомился с лётчиками Одесского гидроотряда и активно участвовал в авиационной общественной жизни: с 16 лет — как лектор по ликвидации авиабезграмотности, а с 17 — как автор проекта безмоторного самолёта К-5, официально защищённого перед компетентной комиссией и рекомендованного к постройке. Поступив в 1924 году в Киевский политехнический институт по профилю авиационной техники, Королёв за два года освоил в нём общие инженерные дисциплины и стал спортсменом-планеристом. Осенью 1926 года он переводится в Московское высшее техническое училище (МВТУ) имени Н. Э. Баумана.
За время учёбы в МВТУ С. П. Королёв уже получил известность как молодой способный авиаконструктор и опытный планерист. 2 ноября 1929 года на планёре «Жар-птица» конструкции М. К. Тихонравова Королёв сдал экзамены на звание «пилот-паритель», а в декабре того же года под руководством А. Н. Туполева защитил дипломную работу — проект самолёта СК-4. Спроектированные им и построенные летательные аппараты — планёры «Коктебель», «Красная Звезда» и лёгкий самолёт СК-4, предназначенный для достижения рекордной дальности полёта, — показали незаурядные способности Королёва как авиационного конструктора. Так, планер СК-3 «Красная Звезда» впервые в СССР был специально спроектирован для выполнения фигур высшего пилотажа и, в частности, мёртвой петли, что и было успешно продемонстрировано лётчиком В. А. Степанчёнком в ходе VII ВПС в Коктебеле 28 октября 1930 г. Однако, особенно после встречи с К. Э. Циолковским, Королёва увлекли мысли о полётах в стратосферу и принципы реактивного движения.
В сентябре 1931 года С. П. Королёв и талантливый энтузиаст в области ракетных двигателей Ф. А. Цандер добились создания в Москве с помощью Осоавиахима общественной организации — Группы изучения реактивного движения (ГИРД); в апреле 1932 года она стала по существу государственной научно-конструкторской лабораторией по разработке ракетных летательных аппаратов, в которой были созданы и запущены первые советские жидкостно-баллистические ракеты (БР) ГИРД-09 и ГИРД-10. 17 августа 1933 года был осуществлён первый удачный пуск ракеты ГИРД. В 1933 году на базе московской ГИРД и ленинградской Газодинамической лаборатории (ГДЛ) был создан Реактивный научно-исследовательский институт под руководством И. Т. Клеймёнова. Королёв был назначен его заместителем в ранге дивинженера. В 1935 году он стал начальником отдела ракетных летательных аппаратов; в 1936 году ему удалось довести до испытаний крылатые ракеты: зенитную — 217 с пороховым ракетным двигателем и дальнобойную — 212 с жидкостным ракетным двигателем. В его отделе к 1938 году были разработаны проекты жидкостных крылатой и баллистической ракет дальнего действия, авиационных ракет для стрельбы по воздушным и наземным целям и зенитных твердотопливных ракет. Однако расхождения во взглядах на перспективы развития ракетной техники заставили Королёва оставить пост заместителя директора, и он был назначен на рядовую должность старшего инженера.
Королёв был арестован 27 июня 1938 года по обвинению во вредительстве, после ареста Ивана Терентьевича Клеймёнова и других работников Реактивного института. Он был подвергнут пыткам; по некоторым данным, во время пыток ему сломали обе челюсти. 25 сентября 1938 года Королёв был включён в список лиц, подлежащих суду Военной коллегии Верховного суда СССР. В списке он шёл по первой (расстрельной) категории. Список был завизирован Сталиным, Молотовым, Ворошиловым и Кагановичем. Королёв был осуждён Военной Коллегией Верховного Суда СССР 27 сентября 1938 года, обвинение: ст. 58-7, 11. Приговор: 10 лет ИТЛ, 5 лет поражения в правах. 10.06.1940 года срок сокращён до 8 лет ИТЛ (Севжелдорлаг), освобождён в 1944 году. Полностью реабилитирован 18 апреля 1957 года. 21 апреля 1939 года попал на Колыму, где находился на золотом прииске Мальдяк Западного горнопромышленного управления и был занят на так называемых «общих работах». 23 декабря 1939 года направлен в распоряжение Владлага. В Москву прибыл 2 марта 1940 года, где спустя четыре месяца был судим вторично Особым совещанием, приговорён к 8 годам заключения и направлен в московскую спецтюрьму НКВД ЦКБ-29, где под руководством А. Н. Туполева, также заключённого, принимал активное участие в создании бомбардировщиков Пе-2 и Ту-2 и одновременно инициативно разрабатывал проекты управляемой аэроторпеды и нового варианта ракетного перехватчика.
Это послужило причиной для перевода С. П. Королёва в 1942 году в другое КБ тюремного типа — ОКБ-16 при Казанском авиазаводе № 16. , где велись работы над ракетными двигателями новых типов с целью применения их в авиации. Здесь С. П. Королёв со свойственным ему энтузиазмом отдаётся идее практического использования ракетных двигателей для усовершенствования авиации: сокращения длины разбега самолёта при взлёте и повышения скоростных и динамических характеристик самолётов во время воздушного боя.
В начале 1943 года он был назначен главным конструктором группы реактивных установок. Занимался улучшением технических характеристик пикирующего бомбардировщика Пе-2, первый полёт которого состоялся в октябре 1943 года. В июле 1944 года С. П. Королёва досрочно освободили из заключения по личному указанию И. В. Сталина, после чего он ещё год проработал в Казани. 13 мая 1946 года появляется Постановление СМ СССР № 1017-419сс «Вопросы реактивного вооружения», С. П. Королёв в тексте Постановления прямо не упомянут, но в соответствии с этим документом его назначили на новое место работы. В августе 1946 года он был назначен Главным конструктором Особого конструкторского бюро № 1 (ОКБ-1), созданного в подмосковном Калининграде, для разработки баллистических ракет дальнего действия, и начальником отдела № 3 НИИ-88 по их разработке. Практически сразу же появился Совет главных конструкторов.
В 1948 году С. П. Королёв начал лётно-конструкторские испытания баллистической ракеты Р-1 и в 1950 году успешно сдаёт её на вооружение. В течение одного только 1954 года Королёв одновременно работал над различными модификациями ракеты Р-1 (Р-1А, Р-1Б, Р-1В, Р-1Д, Р-1Е), закончил работу над Р-5 и наметил пять разных её модификаций, завершил сложную и ответственную работу над ракетой Р-5М — с ядерным боевым зарядом. Шли работы по Р-11 и её морскому варианту Р-11ФМ, и всё более ясные черты приобретала межконтинентальная Р-7. В 1956 году под руководством С. П. Королёва была создана двухступенчатая межконтинентальная баллистическая ракета Р-7 с отделяющейся головной частью массой 3 тонны и дальностью полёта 8 тыс. км. Ракета была успешно испытана в 1957 году на построенном для этой цели полигоне № 5 в Казахстане (нынешний космодром Байконур). Для боевого дежурства этих ракет в 1958—1959 годах была построена боевая стартовая станция (объект «Ангара») в районе посёлка Плесецк (Архангельская область, нынешний космодром Плесецк). Модификация ракеты Р-7А с увеличенной до 11 тыс. км дальностью состояла на вооружении РВСН СССР с 1960 по 1968 годы. В 1957 году Сергеем Павловичем были созданы первые баллистические ракеты на стабильных компонентах топлива (мобильного наземного и морского базирования); он стал первопроходцем в этих новых и важных направлениях развития ракетного вооружения.
В 1955 году (задолго до лётных испытаний ракеты Р-7) С. П. Королёв, М. В. Келдыш, М. К. Тихонравов вышли в правительство с предложением о выведении в космос при помощи ракеты Р-7 искусственного спутника Земли (ИСЗ). Правительство поддержало эту инициативу. В августе 1956 года ОКБ-1 вышло из состава НИИ-88 и стало самостоятельной организацией, главным конструктором и директором которой назначен С. П. Королёв. Для реализации пилотируемых полётов и запусков автоматических космических станций С. П. Королёв разработал на базе боевой ракеты семейство совершенных трёхступенчатых и четырёхступенчатых носителей. 4 октября 1957 года был запущен на околоземную орбиту первый в истории человечества ИСЗ. Его полёт имел ошеломляющий успех и создал Советскому Союзу высокий международный авторитет. «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» — сказал позже С. П. Королёв.
В 1959 году создаются и запускаются три автоматических космических аппарата к Луне. Первый и второй — для доставки на Луну вымпела Советского Союза, третий с целью фотографирования обратной (невидимой) стороны Луны. В дальнейшем С. П. Королёв начинает разработку более совершенного лунного аппарата для его мягкой посадки на поверхность Луны, фотографирования и передачи на Землю лунной панорамы.
12 апреля 1961 г. С. П. Королёв снова поражает мировую общественность. Создав первый пилотируемый космический корабль «Восток-1», он реализует первый в мире полёт человека — гражданина СССР Юрия Алексеевича Гагарина по околоземной орбите. Сергей Павлович в решении проблемы освоения человеком космического пространства не спешит. Первый космический корабль сделал только один виток: никто не знал, как человек будет себя чувствовать при столь продолжительной невесомости, какие психологические нагрузки будут действовать на него во время необычного и неизученного космического путешествия, нужен ли на орбите кислородный концентратор? За подготовку первого полёта человека в космос С. П. Королёв был вторично удостоен звания Героя Социалистического Труда. Вслед за первым полётом Ю. А. Гагарина 6 августа 1961 года Германом Степановичем Титовым на корабле «Восток-2» был совершён второй космический полёт, который длился одни сутки. Опять — скрупулёзный анализ влияния условий полёта на функционирование организма. Затем совместный полёт космических кораблей «Восток-3» и «Восток-4», пилотируемых космонавтами А. Г. Николаевым и П. Р. Поповичем, с 11 по 12 августа 1962 года; между космонавтами была установлена прямая радиосвязь. На следующий год — совместный полёт космонавтов В. Ф. Быковского и В. В. Терешковой на космических кораблях «Восток-5» и «Восток-6» с 14 по 16 июня 1963 года — изучается возможность полёта в космос женщины. С 12 по 13 октября 1964 года на более сложном космическом корабле «Восход» в космосе был экипаж из трёх человек различных специальностей: командира корабля, бортинженера и врача. Первый в мире выход в открытый космос состоялся 18 марта 1965 года во время полёта корабля «Восход-2» с экипажем из двух человек. Космонавт А. А. Леонов в скафандре вышел через шлюзовую камеру и находился вне корабля около 20 минут.
Продолжая развивать программу пилотируемых околоземных полётов, Сергей Павлович начинает реализовывать свои идеи о разработке пилотируемой ДОС (долговременная орбитальная станция). Её прообразом явился принципиально новый, более совершенный, чем предыдущие, космический корабль «Союз». В состав этого корабля входил бытовой отсек, где космонавты могли долгое время находиться без скафандров и проводить научные исследования. В ходе полёта предусматривались также автоматическая стыковка на орбите двух кораблей «Союз» и переход космонавтов из одного корабля в другой через открытый космос в скафандрах. Сергей Павлович не дожил до воплощения своих идей в космических кораблях «Союз».
