Осенью 1947 года Королев руководил серией опытных запусков «Фау-2» на полигоне Капустин Яр. Там присутствовали немецкие ракетчики, которые должны были обучить русских обращению с ракетами. До конца года было запущено около 20 ракет, несших боеголовки или научные приборы. В конце 1940-х годов работа Королева с «Фау-2» и ее усовершенствованной русской версией К1 (или Р-1) принесла свои плоды. Ракета Р-1 была принята на вооружение в качестве боевой ракеты Красной Армии.
В то время как работа Королева шла успешно, его личная жизнь была беспокойной. В 1946 году он развелся с первой женой, матерью его единственного ребенка. В следующем году он женился второй раз. По некоторым сообщениям, в 1948 году Королев снова был отправлен в «шарашку». Об этом почти ничего не известно, впрочем, возможно, что при Сталине была невелика разница, с какой стороны колючей проволоки находиться.
Со временем к немецким ракетчикам присоединились, а затем и заменили их молодые русские инженеры. Наконец, между 1951 и 1953 годами, немцам, которых вывезли в Советский Союз против их воли, было позволено вернуться в Германию.
Примерно в это же время заместитель фон Брауна Эберхард Рес провел много времени в Германии, вербуя квалифицированный персонал для работы над ракетной программой сухопутных войск США. Один из тех, с кем встречался Рес, недавно вернулся из Советского Союза и жил в Западной Германии. Он опасался говорить с Ресом, так как думал, что находится под наблюдением советских агентов. Еще один из тех, кто вернулся, живший в Восточной Германии, не пришел на назначенную встречу. Рес предположил, что он снова попал к русским.
Фон Браун получил письмо от Вернера Баума, предлагавшего ему свои услуги после возвращения из Советского Союза. Баума помнили как посредственного инженера, и армейская разведка полагала, что он мог действовать по указанию Советского Союза. Американские военные считали, что немцы, которые поработали на СССР, мало что могли предложить, и что из-за угрозы для безопасности их не следует нанимать.
Спустя годы, оценивая вклад своих бывших коллег в советскую ракетную программу, Вернер фон Браун сказал: «Есть все основания полагать, что их вклад в русскую космическую программу можно почти не принимать в расчет. Они должны были писать отчеты о том, что было в прошлом, но, можно сказать, они были выжаты как лимон. В конце концов их отправили домой, даже не проинформировав о содержании секретных русских проектов».
Советский Союз пытался создать МБР, которая могла бы послать ядерную боеголовку в его врагов. Советские технологии изготовления ракет и боеголовок были примитивными по сравнению с существовавшими в Соединенных Штатах. По иронии судьбы, в первые годы соревнования в космосе эти недостатки дали русским некоторые преимущества. Прежде всего, создав ядерные бомбы через несколько лет после Соединенных Штатов, советские физики не умели, однако, делать их небольшими. Следовательно, советские ракетные конструкторы, в частности Королев, должны были строить ракеты, которые были значительно больше американских. Большие ракеты позднее дали возможность поднимать в космос более тяжелые грузы. Кроме того, советские инженеры не могли построить более мощные ракетные двигатели, способные выдержать дополнительное давление и нагревание. Королев застрял на несколько улучшенной версии двигателя «Фау-2». Поэтому он начал проектировать и строить ракеты, приводившиеся в движение громоздкими блоками этих небольших двигателей. Они не были элегантными или красивыми, но они были мощными, и они работали.
Когда умер Сталин, многие в России вздохнули с облегчением. Королев был реабилитирован. Он вступил в Коммунистическую партию и был избран в Академию наук СССР.
Одним из наиболее надежных свидетелей, подтверждающих важность Королева для развития советской ракетной техники, являлся бывший советский премьер Никита Хрущев. В своих мемуарах он писал:
Когда был жив Сталин, он сам принимал все решения по вопросам обороны, в особенности это касалось ядерного оружия и средств доставки.
Вскоре после смерти Сталина Королева пригласили на Политбюро сделать доклад о его работе. Я не хочу преувеличивать, но мы смотрели на то, что он показывал, как бараны на новые ворота. Когда он показал нам одну из своих ракет, похожую на большую трубу, мы не поверили, что она может летать. Королев пригласил нас на пусковую площадку и попытался объяснить нам принципы работы ракеты. Мы были там как крестьяне на ярмарке. Мы ходили вокруг ракеты, постукивали по ней, проверяя на прочность, только что на язык ее не пробовали.
Мы вполне доверяли товарищу Королеву. Когда он сказал, что его ракета не только полетит, но и пролетит 7 тысяч километров, мы поверили ему. Когда он объяснял или отстаивал свои идеи, у него горели глаза, а его доклады были образцом ясности. Его энергия и целеустремленность были неисчерпаемы, и он был блестящим организатором.
Благодаря товарищу Королеву и его сотрудникам у нас теперь была ракета, способная нести ядерную боеголовку. Его изобретение нашло также много мирных применений. Своей «семеркой» он проложил дорогу в космос.
«Семерка» Королева (известная в СССР также как Р-7, а на западе как СС-6 «Сапвуд») была безобразным созданием, малопригодным для выполнения своего предназначения в качестве МБР. Она состояла из центральной ракеты и четырех присоединенных к ней ускорителей. Двигатель центральной ракеты представлял собой блок из четырех камер с фиксированной тягой, составлявшей несколько более 25 т. Топливом служили керосин и жидкий кислород. В каждом из четырех ускорителей имелся блок из четырех аналогичных камер. Кроме того, имелось двенадцать ракетных двигателей меньшего размера на кардановых подвесках, служивших для управления. Во время пуска все основные и управляющие двигатели Р-7 включались одновременно, создавая тягу свыше 454 т. Однако в качестве оружия Р-7 была малопригодной. Ее потребность в жидком кислороде вызывала необходимость в громоздком вспомогательном оборудовании и приводила к длительному времени заправки. Ее размеры (сухой вес: 28,26 т; стартовый вес: 294,85 т; длина: 30 м; диаметр у основания: 9 м) вызывали трудности в транспортировке и маскировке. Однако относительная простота и надежность делали ее идеальным средством для запуска на орбиту больших грузов.
Размеры и мощность Р-7 намного перекрывали возможности существовавших в Советском Союзе ракетных полигонов. В июне 1955 года СССР начал строительство нового секретного ракетного полигона возле небольшого селения Тюратам в Казахстане, на северо-восток от Аральского моря. (Из соображений безопасности после запуска первого корабля с человеком на борту в качестве места старта был назван Байконур, селение, расположенное на сотни километров северо-восточнее. Даже сейчас космодром называется Байконур, хотя расположен он возле Тюратама.)
Королев и его группа начали испытания Р-7 в конце весны 1957 года, и шли они неудачно. Первая ракета взорвалась ка старте, и еще несколько попыток закончились не лучше. В июле Королев подвергся критике со стороны других конструкторов и советских бюрократов. Наконец, 3 августа 1957 года Королев и его группа произвели первый успешный запуск Р-7. Через несколько недель они запустили вторую ракету в Тихий океан возле Камчатки. У Королева была наконец большая ракета-носитель, если не боевая МБР.
Королев рассказывал (в записках, опубликованных в 1969 году, после его смерти), как возникла концепция первого советского искусственного спутника Земли:
Мы внимательно следили за сообщениями о готовящемся в США запуске спутника, многозначительно названного «Авангард». Многие считали, что он будет первым спутником в космосе. Мы подумали, что мы можем сделать, и пришли к выводу, что мы можем поднять на орбиту добрых 100 кг. Мы доложили в ЦК партии, откуда ответили: «Это хорошая идея, но мы должны все обдумать». Летом 1957 года меня вызвали в ЦК. Добро было дано.