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.