当时，科罗廖夫已是火箭主设计师，同样受牵连而被判为死罪，押赴西伯利亚一个荒无人烟的小岛挖掘金矿。图波列夫很赏识科罗廖夫的科学才能和组织才干，多次提出请求，使得科罗廖夫得以脱离死牢，转到第四号特种监狱，重新开始研制火箭。虽然他们从事的是科研设计工作，但身份仍然是囚犯，每天工作长达12小时，工作和住地警卫森严，他们之间不得随意聊天，毫无行动自由。就是在这种恶劣的条件下，科罗廖夫先后成功地设计了前苏联第一代导弹和中程导弹，充分表现出为科学而献身的高尚品质和可贵精神。
在这以后，科罗廖夫担任试验设计局设计师，时间是1938-1942年，而1942-1945年任试验设计局副总设计师。
1938年，科罗廖夫主持“PП－318－1”火箭飞机试验台点火试验。
1939年，由科罗廖夫设计的“212”地对地飞航式火箭顺利完成飞行。
1940年，“PП－318－1”火箭飞机完成首次飞行。
1941年6月22日，德国军队侵犯前苏联，前苏军联奋起抵抗。苏德战争爆发。
眼看自己祖国的土地被法西斯匪徒蹂躏，人民遭受敌人涂炭，科罗廖夫才萌生了在原有的飞机上安装喷气发动机作为推进器这一设想，用以加快飞机速度。由科罗廖夫担任设计师、副总设计师的试验设计局承担了这一极其重要而技术又十分复杂的火箭发动机的研制任务。
科罗廖夫不仅组织研制火箭发动机，而且亲自做飞行试验。当把试验设计局制造出来的火箭发动机安装在“ПЕ－2”飞机上时，科罗廖夫毅然决然地参加随机试飞试验。内行人都懂得，研究所、实验室里算出的数据，提出的理论再有把握，再合乎逻辑，也必须经过无数次实践的检验，经过不断修正错误后，才可能有成功的把握。装上火箭发动机的飞机在空中会是什么样子，谁也说不清楚。在一次调整飞行时，发动机突然发生爆炸，飞机尾翼被炸坏，但飞机却安全着陆了。人们认为，这次事故后，科罗廖夫再也不会参加试飞了。可是，当他走下飞机时，竟高兴地说：“我好像找到了原因。我信任这台发动机。明天再来一次试验。”果然第二天，科罗廖夫又随机试飞了一次。
科罗廖夫表现出来的这种坚毅顽强、勇敢无畏的精神，是令人赞佩的，也是每一个致力于科学事业的科研人员必须具备的。没有这种精神就不可能在科研事业中取得半点成绩。
1943年10月10日，装有火箭装置的“ПЕ－2”飞机完成了第一次单独飞行。借助喷气发动机，飞机起飞滑跑距离缩短70米，能比其他飞机更快地升空。
从1941年开始，科罗廖夫组织试验设计局研制了“PД－1”、“PД－2”、“PД－3”飞机辅助液体燃料火箭发动机系列，它们均为自动点火，具有300公斤~900公斤可调推力。
科罗廖夫在设计火箭助推器的同时，还在竭力实现制造火箭飞机的设想。1942年12月16日，科罗廖夫在“PД－1”型喷气发动机截击机的设计说明书中指出：这种飞机将用于保卫地面目标，以及对敌机进行空战，而且也将是对敌坦克、火炮和高炮阵地，以及渡口等地面目标实施突然而迅猛的攻击手段。这种火箭截击机，能在两分钟内上升10公里的高空，水平飞行最大时速为1000公里。飞机续航时间为30分钟。它可装备两门23毫米口径机关炮，备有150发炮弹和一挺机枪。
科罗廖夫认为，只要有必要的条件予以保证，这种火箭截击机可望在短期内高效地用于对德作战。但是，由于一连串科罗廖夫无法得知的原因，制造这种火箭截击机的设想在当时未能实现。后来，这种类型的飞机终于制造出来了，证明了科罗廖夫的设想是完全正确的。另外，能够使科罗廖夫得到安慰的是，火箭研究所研制的火箭炮在1941年就装备了部队。前苏联人民把这种火力猛，威力大，机动性能好，适用于大面积目标射击的火箭炮亲切地称之为“喀秋莎”。
1944年，在远离莫斯科的设计局工作时，科罗廖夫把自己全部的意志、力量和知识贡献给了卫国战争。而在难得的短暂休息时间时，科罗廖夫依然向往着那最令人神往的事业，冲出大气层、飞向宇宙。科罗廖夫坚信，人们总会有一天要飞到火星、金星等星球上去的。科罗廖夫像个孩子似地说：
“我睡觉也要梦见火箭。”1945年，由于科罗廖夫顺利完成飞机火箭助推器的研制工作而荣获第一枚“荣誉”勋章。
从洲际导弹到人造地球卫星
1946年3月，科罗廖夫和一些专家出国考察，了解到德国法西斯分子曾使用“V－2”火箭袭击英国的和平城市，非常气愤，也深刻认识到在发展火箭科学研究方面“必须走自己的路”。年底，科罗廖夫所在的设计局开始设计自控远程火箭。科罗廖夫是这项新兴事业的心脏和灵魂，他把全部精力都倾注在这项事业上。
1947年10月18日，在十月革命30周年前夕，在前苏联某地的靶场发射了第一枚弹道火箭样机。此后，在科罗廖夫主持下，又进行了多达11次新式战略试验火箭的发射。这就为前苏联火箭制造的富于成果的阶段奠定了坚实可靠的基础。虽然当时火箭的发射重量仅仅几吨，同现代航天火箭发射重量的300吨不能同日而语，但它正如科罗廖夫所说：“我们迈出了重要的一步。”
在当时发射第一批可控液体燃料远程火箭的靶场上现在立着一座独特的纪念碑，一枚火箭刺向苍穹。这可以说明科罗廖夫和他的伙伴们所从事的工程的重要意义。
在战后，1946年6月，多级试验火箭进行了试验飞行。1947年9月，在进行测试的远程弹道可控火箭上安装了科学仪器。1949年，前苏联科学院主席团大气上层研究委员会开始工作。从这一年起，就开始了利用发射到110公里空中的地球物理火箭对大气上层进行系统的研究。20世纪50年代初，前苏联同时研究了制造自动人造地球卫星的可能性。一些科学家对人类能够进入宇宙的可能性表示怀疑，而科罗廖夫则在童年就萌生了这一梦想，经过对火箭研究的长期实践，并取得了突破性成果，他对此深信不疑，心潮澎湃，兴奋不已。
在这段时间里，科罗廖夫不仅全身心地投入到科学试验当中去，而且还满腔热情地在政治方面陶冶自己。
1953年7月30日，科罗廖夫郑重地向党组织递交了入党申请书。
在全体党员大会上，党员们聚精会神地聆听了科罗廖夫的发言，大家一致同意吸收科罗廖夫为苏共党员。
就在这一年，科罗廖夫当选为前苏联科学院通讯院士。
1954年，科罗廖夫向前苏共中央、前苏联部长会议和前苏联科学院分别提出利用运载火箭向太空冲击的必要性问题。
5月26日，科罗廖夫在给前苏共中央的信中写道：“目前正在研究的速度为7000米/秒的新产品有可能使人造地球卫星于近年内制成。用减少若干有效载荷的办法，可使发射卫星所需要的末速达到8000米/秒。”“我认为，现在成立一个科研机构，对卫星的初步探索工作以及进一步详细研究与此有关的种种问题是适宜的。”
一年以后，1955年6月25日，科罗廖夫再次提出了发射人造地球卫星的想法，并且补充了人类进行宇宙飞行的设想。他在给前苏联科学院提交自己研究活动的年度报告中这样写道：“利用火箭飞行器实现超距离和实际上任意高度的超高空飞行，在原则上是可行的。目前，制造人造地球卫星和进行载人高空飞行研究星际空间的宇宙飞船日趋接近现实。”
1956年4月，科罗廖夫在前苏联全国大气上层研究会上发言，对制造和发射人造地球卫星的可能性提出了令人信服的理由，同时他还提出载人飞船飞行的问题“越来越成为现实”。
在前苏联共和政府的支持下，科罗廖夫和设计局开始集体研究第一代宇航装置，并且预定在国际地球物理年即1957年7月至1958年12月发射。前苏联政府决定建立航天火箭发射场。地点选在哈萨克斯坦，离小居民点拜科努尔不远的沙漠地区。1955年1月，第一批建设者开进拜科努尔。不论是低达零下50℃度的严寒，还是呼啸的狂风或灼人的酷热，也不论是缺少道路和生活设施简陋，都没有难倒工程的建设者。一年半以后，工程竣工了。
1956年9月25日，科罗廖夫在《人造地球卫星草图设计研究报告提纲》
中指出：“研制第一颗人造地球卫星的工作，无疑是人类在进入太空的路上迈出的重要一步。可以肯定，我们正在进入火箭技术的新领域，它关系到星际火箭的制造。”
在1956年，50岁的科罗廖夫获得社会主义劳动英雄称号。
1957年12月10日，科罗廖夫在《真理报》上撰写文章，谈及美国和前苏联都在进行用于科学目的的人造地球卫星首批发射试验，而前苏联首先能在这方面获得成功。他在文章中指出：“前苏联的科学家、工程师和工人们制造出洲际弹道导弹。这是我国火箭制造业以及整个工业的辉煌成就。前苏联科学技术的高水平发展，各学科的研究所、设计局和企业的精确而有组织的工作保证了这一问题的顺利解决。”
前苏联航天技术史上值得大书特书的辉煌的一年——1957年。1957年在科罗廖夫个人历史上也是值得可喜可贺的辉煌的一年。
8月27日，塔斯社报道：“多级洲际弹道导弹已于日内发射。”“火箭试验进展顺利，完全证实计算和所选定的结构是正确的。火箭在前所未有的高度上完成了飞行。在短时而远距离的飞行之后，火箭在预定区域降落。”
在前苏联，更不用说在全世界，只有很少数人知道，这枚洲际导弹的总设计师是科罗廖夫。
塔斯社同时还报道：“核武器和热核武器（氢武器）也于近期内进行了成功的试验。”
10月4日夜。航天火箭发射场上探照灯灯光闪烁，宇宙火箭直指蓝天，雄伟壮观。天幕上群星闪烁，神秘深邃。一声点火令下，航天火箭托举着人造卫星划破夜空，直冲苍穹。刹那间，天空中向地面传回航天器的声音：“哔噗——哔噗。”
航天火箭发射场上人群立刻沸腾起来，高呼：“呜啦！呜啦！”
全世界的人们惊奇地获悉：第一颗人造地球卫星已进入地球轨道。
塔斯社向全世界发出振奋人心的报道：“人造地球卫星开辟了星际航行的道路。”
稍后，科学家、设计师、工程师、工人、火箭兵等和所有参加试验的人聚集在发射场地，自发地组成了群众集会。科罗廖夫登上临时搭成的台子，他毫不掩饰自己的兴奋，两眼闪动着光芒，一向严肃的面孔也流露出笑容。
科罗廖夫激动地说：“齐奥尔科夫斯基英明的预见，人类不会永远停留于地球之上。人造地球卫星首先证明了他的预言。向宇宙进军开始了。我们可以引以自豪地说：“我们的祖国是向宇宙进军的先锋。”在结束简短讲话时，他向所有参加研制、发射人造地球卫星的人们致以深深的谢意。人群中又爆发出雷鸣般的掌声和极其热烈的欢呼声。
从发射第一颗人造地球卫星后的几天里，世界各国的科学家对前苏联取得的这一伟大成就表示衷心的祝贺，并对此给予高度的评价。
法国伟大的物理学家约里奥·居里（她是M.居里夫人的女儿）高兴地欢呼：“这是全人类的伟大胜利，是人类文明史的转折点。人类不再被束缚在自己的星球之上了。”
意大利罗马科学家贝尼阿米诺·塞格雷激动地说：“作为一个人，一名科学家，我为人类智慧的辉煌成就而骄傲，它显示出社会主义科学具有的高水平。”
英国一个大型无线电天文台主任贝纳尔·洛维教授说：“人造地球卫星的发射是一个出色的成就。它证明前苏联的技术进步已达到很高阶段。”
美国科学家曾多次宣称，他们将首先发射人造地球卫星，在得到前苏联已将此预言变为现实消息后，不得不承认“这是一个不折不扣的奇迹”，并预言还“可能发射更大重量的卫星”。
科罗廖夫并没有被发射第一颗人造地球卫星的胜利冲昏头脑，他提议11月份发射第二颗人造地球卫星，这个提议也顺利地变成了现实。
前苏联科学家科罗廖夫担任总设计师研制的第一颗人造地球卫星，它的本体是一只用铝合金做成的圆球，直径58厘米，重836公斤。圆球外面附有4根鞭状弹簧天线。卫星内部装两台无线电发射机，每隔03秒向外发射信号。它是由一支三级运载火箭发射的。它进入环绕地球飞行轨道后，距离地面最远时为9641公里，最近时为2285公里，轨道与地球赤道平面的夹角为65度，962分钟绕地球一周。这颗人造地球卫星在天空中运行了92天，绕地球约1400圈，行程6000万公里，于1958年1月4日陨落。
为了纪念人类进入宇宙的伟大时刻和事件，前苏联在莫斯科列宁山上建立了一座纪念碑，碑顶安置着这颗人造地球卫星的复制品。
宇宙之旅
1958年，科罗廖夫以极其卓越的航天技术的成就当选为前苏联科学院院士。这一年，他参加了第三颗人造地球卫星的准备和发射工作。
1959年，对月球科学来说无可非议地被认为是划时代的一年。
1月2日，向月球区域发射了第一个自动行星际站。这个自动站成为第一颗太阳系的人造行星。
9月14日零点2分24秒，“月球－2”号自动站将刻有前苏联国徽图案的球形标记送上了月球表面的“证海”地域。
10月7日6时30分，航天火箭送出“月球－3”号自动站。这个自动站首次在6~7万公里的距离拍摄了月球背面照片。照片清晰地记录下月球表面498个形成物，其中有400个是从地球上看不到的。这些形成物的月面坐标得到确定。
1963年4月2日，发射了“月球－4”号自动行星际站。远距离航天通讯中心指挥着自动站的飞行。发射“月球－4”号自动站使用了卫星中介轨道发射系统。卫星发射系统的诞生是国际飞行技术发展的重要阶段。
向月球冲击，在随后的几年里一直在进行。“月球－5”号、“月球－6”
号、“月球－7”号、“月球－8”号行星际站，陆续飞向月球。每一次飞行获得的重要资料都极大地丰富了月球科学。
当“月球－9”号行星际站飞向月球时，就以它首次实现了月球表面的软着陆而永远载入了史册。
在奠定了人造地球卫星、月球火箭、飞往金星和火星飞行器的技术基础之后，科罗廖夫将下一步工作移交给其他科学家，而他自己则潜心设计可控宇宙飞船和宇宙站，以便实现他在青年时就萌生的幻想，人在宇宙飞行。
由科罗廖夫担任总设计师的“东方”号运载火箭，集全部现代科学技术于一身。它也是科罗廖夫设计才华达到顶峰的体现。