В 1921 году юный Королёв 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 планере «Жар-птица» конструкции М.К. Тихонравова Королёв сдал экзамены на звание «пилот-паритель», а в декабре того же года под руководством Андрея Николаевича Туполева защитил дипломную работу – проект самолёта СК-4. Спроектированные им и построенные летательные аппараты – планеры «Коктебель», «Красная Звезда» и лёгкий самолёт СК-4, предназначенный для достижения рекордной дальности полёта, – показали незаурядные способности Королёва как авиационного конструктора.

Однако, особенно после встречи с К.Э. Циолковским, Королёва увлекли мысли о полётах в стратосферу и принципы реактивного движения. Королёв всегда увлекался фантастической литературой. Особенно его интересовали книги изобретателя Константина Циолковского, которые Сергей Павлович до последних дней дарил только самым близким людям. Прочитав «Исследование мировых пространств реактивными приборами», будущий отец-основатель отечественной космонавтики загорелся желанием покорить пространство за пределами земной атмосферы. Позже Королёв познакомился с Циолковским – и между ними завязалась дружба. Во время одной из встреч Сергей Павлович заявил, что ставит перед собой цель пробиться к звездам. Но, скорее всего, такой встречи никогда не было, и мы имеем здесь дело с мифом.

В 30-х годах прошлого века С.П. Королёва едва не расстреляли. Его арестовали по обвинению в контрреволюционной деятельности, допрашивали, и, по некоторым сведениям, даже пытали.

Его дочь Наталья Королёва вспоминала: «Когда папу арестовали, мне было три года. Тогда я не знала, что отец в тюрьме. Мама говорила: он летчик, выполняет важное правительственное задание. Впрочем, однажды соседский мальчик заявил, что родители запретили ему водиться со мной. Он, как и я, не понимал, о чем идет речь, ведь мы были слишком маленькими. Но после этого случая моя мама решила, что я не буду гулять во дворе, и мы с бабушкой каждый день ходили в зоопарк, благо, он находился поблизости. Я безумно любила папу, его фотография висела над моей кроваткой. На праздники мама вручала мне книги с дарственными надписями, сделанными печатными буквами: «Котику. От папки Сережи».