Вскоре успех приходит и на ракетном поприще. Так, 17 августа 1933 года на Подмосковном полигоне Нахабино состоялся полет первой советской жидкостной ракеты ГИРД-09 конструкции М. К. Тихонравова с двигателем на гибридном топливе, которая поднялась на высоту 400 м, а несколько позже ее серийный вариант и на 1500 м.
Этот день считается днем рождения советского ракетостроения как принципиально нового вида техники. Успешный запуск первой отечественной жидкостной ракеты ускорил принятие решения о централизации сил в этой области. Секретная записка с обоснованием необходимости организации исследовательского института по ракетной технике с привлечением специалистов ленинградской Газодинамической лаборатории и московской Группы изучения реактивного движения была направлена из аппарата М. Н. Тухачевского в ЦК ВКП(б). После совещания у И. В. Сталина принимается решение об учреждении в Москве Реактивного научно-исследовательского института. 21 сентября 1933 года — день создания РНИИ. Сергей Павлович в свои 26 лет становится заместителем начальника института и руководителем отдела ракетных летательных аппаратов.
В этот период за рубежом также проводятся исследования в области жидкостных реактивных двигателей, и разворачивается пропаганда идеи ракетно-космических полетов. Впрочем, единственными ракетостроителями в Европе, располагавшими к тому времени практическим опытом создания ЖРД значительной тяги, была немецкая группа «Берлинский ракетодром», действовавшая при поддержке частного капитала. Ее деятельность широко освещалась прессой и была известна Циолковскому, Королеву и Тихонравову. Осенью 1933 года руководитель группы Р. Небель был вызван в гестапо, где ему было запрещено упоминать о прежних контактах с управлением вооружений сухопутных сил, а публикации в немецкой печати о работах по ракетной технике оказались под строгим контролем министерства пропаганды. Вскоре и сама группа была распущена, а ее ведущие сотрудники В. фон Браун, К. Ридель, Г. Хютер и др. использовали приобретенный опыт при создании ракеты А-4 (Фау-2) — первой в мире баллистической ракеты дальнего действия на жидком топливе.
Королев, будучи первопроходцем в самолетостроении и в ракетостроении, уже в 1934–1938 годах разрабатывает в РНИИ крылатые ракеты, стремясь объединить возможности самолета и ракеты. Так возникает целая серия управляемых крылатых ракет: жидкостная управляемая ракета с гироскопическим автопилотом класса «земля — земля» — 212, твердотопливная ракета класса «земля — воздух» — 217 и жидкостная ракета с радиокомандной системой наведения класса «воздух — воздух» и «воздух — земля» — 301 и др.
Но все же главной целью молодого конструктора остаются пилотируемые летательные аппараты с ракетным двигателем для полетов человека в верхние слои атмосферы — ракетопланы. Он проектирует ракетопланы РП-218 на базе планера СК-9 с тремя ЖРД ОРМ-65 конструкции В. П. Глушко и РП-318-1 с ЖРД РД-1-150 конструкции Л. C. Душкина. В качестве первого шага он создает экспериментальный ракетоплан и испытывает его на земле и в полете. РП-318-1, на котором в 1940 году совершил полет летчик Федоров, стал первым в стране пилотируемым летательным аппаратом с ракетным двигателем.
Однако уже на этом этапе своей работы Королев не только столкнулся с непониманием, завистью, но и был надолго отстранен от любимого дела. Обстановка в РНИИ осложнялась и закончилась арестом его руководителей. Не миновала эта участь и Сергея Павловича — в 1938 году он был арестован по доносу, необоснованно осужден на 8 лет и сослан. В самом расцвете своих творческих сил, с 31 по 37 год своей жизни он работал на золотых приисках на Колыме, в «шарашках» при НКВД в Омске и Казани, занимался установкой ЖРД на самолетах. Тем не менее, не изменив избранной цели, своей волей и настойчивостью Королев определил собственную судьбу. После досрочного освобождения в 1944 году он предлагает проект реактивного перехватчика на базе самолета Ла-5, а осенью 1945 года с группой специалистов командирован в Германию для изучения трофейной ракетной техники, где проявляет себя зрелым и способным организатором.
Основную часть развернутого немцами производства баллистических ракет А4 — Фау-2 захватили американцы не без помощи самих немцев в качестве трофеев, в том числе, более ста собранных ракет, техническую документацию, испытательное и технологическое оборудование, и более 500 ведущих специалистов во главе с главным немецким ракетчиком Вернером фон Брауном. Оставшуюся часть постарались уничтожить. То, что сохранилось, было рассредоточено в Берлине, Тюрингии, Пенемюнде, в Чехии и Австрии.
В Германии организаторские способности и высокая компетентность Королева проявляются в полной мере.
В марте 1946 года Королева вызывают в Москву, где он делает доклад правительству о ходе изучения трофейной техники с предложением объединить усилия отдельных групп. После совещаний с участием различных руководителей военной промышленности принимается решение организовать единый центр по сбору и анализу всех сведений о проектировании и производстве ракет. Создается институт «Нордхаузен», начальником которого стал генерал-майор Л. М. Гайдуков — член Военного совета гвардейских минометных частей и заведующий отдела ЦК партии. Он же назначен председателем межведомственной комиссии, а С. П. Королев — его заместителем и главным инженером института.
После окончания второй мировой войны угроза ядерного нападения стала для Советского Союза реальностью, хотя сегодня события тех лет трудно оценивать так, как они воспринимались современниками. Взрывы американских атомных бомб над Хиросимой и Нагасаки не были стратегически необходимыми военными операциями против Японии, поскольку исход войны и без того был предрешен. Эта акция устрашения стала не только демонстрацией «мускулов» перед своим союзником, но и заявкой на мировую гегемонию. По периметру границ СССР и социалистических стран как грибы вырастали военные базы США, на них сосредотачивалась стратегическая авиация, способная нести смертоносное атомное оружие.
Прогноз дальнейшего развития событий в 1946 году представлялся весьма мрачным и, как вскоре показала жизнь, отнюдь не без оснований. В 50-х годах общее число средних и дальних бомбардировщиков США превышало 1500, за один вылет они способны были доставить к цели (на территорию СССР и его союзников) более 4500 атомных бомб, в десятки, а то и в сотни раз превосходивших по мощности те, что были сброшены на японские города. Рассчитывать на своевременный успешный перехват такого количества самолетов не приходилось. Мы не могли использовать авиацию для надежной доставки ядерного заряда до Америки. Выход оставался один — в кратчайший срок создать не только атомную бомбу, но и средства ее надежной доставки до цели.
Весной 1946 года по инициативе Л. М. Гайдукова И. В. Сталину была направлена докладная записка, о важности которой можно судить уже по составу подписавших ее руководителей: Л. П. Берия, Г. М. Маленков, Н. А. Булганин, Б. Л. Ванников, Д. Ф. Устинов, Н. Д. Яковлев. Она послужила основой для принятия главой государства исторического решения по обеспечению обороноспособности страны.
13 мая 1946 года выходит постановление Совмина СССР № 1017-419, подписанное И. В. Сталиным, о создании Специального Комитета по Реактивной Технике, определившее задачи всех министерств и ведомств по обеспечению работ по новым реактивным видам вооружений (См. Приложение 1) и ставшее образцом комплексного решения сложнейшей оборонной научно-технической проблемы государственного масштаба. Оно явилось стартовой площадкой и днем рождения отечественного ракетостроения.
В соответствии с этим документом, все министерства и ведомства должны были выполнять задания по реактивной технике как первоочередные. Председателем только что учрежденного Специального комитета был назначен секретарь ЦК ВКП(б) Г. М. Маленков, его заместителем — министр вооружения Д. Ф. Устинов.