В 1931 году Беляев переезжает в Ленинград, где, несмотря на все ухудшающееся здоровье, продолжает работать, живо интересуясь новейшими достижениями естественных наук. Вынужденный из-за болезни подолгу не выходить из дома, он много писал, читал, жадно слушал радио, мечтал о телевизоре. Одной из самых больших и серьезных проблем, занимавших писателя, стала проблема покорения космоса. Беляева, еще с детства мечтающего о полетах, не могла не увлечь идея проникновения в мировое пространство. Вселенная поражала его своею необычностью, грандиозностью и таинственностью. Он изучает труды К. Э. Циолковского, и новые, невиданные доселе горизонты открываются перед воображением писателя: полет на Луну, искусственные спутники, межпланетные путешествия, открытие ранее неизвестных миров во вселенной. В те годы, когда многие ученые не верили смелым проектам Циолковского, опередившего на целые десятилетия свое время, Беляев подхватывает самые смелые гипотезы ученого. Так, развивая идею Циолковского о цельнометаллическом дирижабле, он описывает увлекательное путешествие над землей на воздушном корабле подобной конструкции. В 1934 году Циолковский прочитал в журнале «Вокруг света» роман Беляева «Воздушный корабль» и написал письмо в редакцию: «Рассказ… остроумно написан и достаточно научен для фантазии. Позволю себе изъявить удовольствие тов. Беляеву и почтенной редакции журнала». Ученый просил также писателя прислать ему в Калугу роман «Прыжок в ничто» (1933), посвященный «межпланетным скитаниям», который он нигде не мог достать. В этом произведении Беляев рассказал о путешествии на загадочную планету Венера. Писатель не только попытался представить и воссоздать животный и растительный мир этой планеты, но попробовал передать состояние человека, попавшего в космос. Он описал устройство ракеты, полет в безвоздушном пространстве, картины Земли, увиденной из космоса. Беляев послал свой роман на суд Циолковского, объясняя, что опирался на его работы. Между писателем и ученым завязалась переписка. Второе издание романа (1935) Беляев посвятил Циолковскому, учтя в нем замечания и поправки, сделанные ученым. Циолковский написал к нему предисловие: «…из всех известных мне рассказов, оригинальных и переводных, на тему о межпланетных сообщениях роман А. Р. Беляева мне кажется наиболее содержательным и нужным. Конечно, возможно лучшее, но, однако, пока его нет. Поэтому я сердечно и искренне приветствую появление второго издания, которое, несомненно, будет способствовать распространению в массах интереса к заатмосферным полетам. Вероятно, их ожидает великое будущее». «Ваш теплый отзыв о моем романе придает мне силы в нелегкой борьбе за создание научно-фантастических произведений», — писал Беляев.
В 1935 году писатель делится с тяжело больным Циолковским своим замыслом нового романа, «Вторая луна», в котором он рассказал о ракете — спутнике Земли, о межпланетной станции, которая будет служить научной лабораторией в космосе, опередив реальные события на несколько десятков лет. В память Константина Эдуардовича Циолковского он назвал свой роман «Звезда КЭЦ».
Беляев писал в различных жанрах приключенческой литературы — от волшебного рассказа-сказки до романа-памфлета. В годы, когда советская фантастика только складывалась, когда произведения, написанные в этом жанре, с трудом пробивались сквозь непонимание критики, Беляев видел всю важность научно-фантастической литературы (которую он называл «Золушкой» среди прочей литературы). В 1938 году Беляев выступает на страницах печати со статьей «Создадим советскую научную фантастику!» («Детская литература», № 15–16).
Писатель доказывал необходимость нового жанра литературы, который должен быть неразрывно связан с научными проблемами современности, и подробно, по пунктам, излагает, каким требованиям он должен отвечать.
«Всем известны сказочные сапоги-скороходы, ковер-самолет, волшебные зеркала, при помощи которых можно видеть на далекое расстояние. Подобные сказки — предшественники научной фантастики». Бурное развитие науки и техники сделало возможным превратить сказку в реальность. И вот «сказочные мечты о сапогах-скороходах и ковре-самолете превращаются в скорый и сверхскорый земной и воздушный транспорт; зеркала — в телевизоры, живая вода и «моложавые» яблоки — в целую отрасль медицины, которая небезуспешно борется со старостью…»