Сергей Королев родился 12 января 1907 года в Житомире в семье учителя гимназии.

В 1909 семья перебралась в Киев; вскоре после этого родители разошлись. В 1916 мать вновь вышла замуж и вместе с сыном и мужем переехала в Одессу. В 1917 Сережа поступил в гимназию, однако началась революция, гимназию закрыли, и он стал заниматься самостоятельно по гимназической программе с помощью матери и отчима.

В 1921 в Одессе появился отряд гидросамолетов, и будущий конструктор увлекся воздухоплаванием, а в 1923 начал заниматься в планерном кружке. В 1922–1924 он учился в стройпрофтехшколе. В 1924 поступил на механический факультет Киевского политехнического института, но, поскольку там не было открыто аэромеханическое отделение, перешел в 1926 в Московское высшее техническое училище им. Баумана, аэромеханический факультет которого окончил в 1930.

И в Киеве, и в Москве он занимался планеризмом: летал на планере, построил свой планер; одновременно учился летать на самолете, получил диплом летчика и построил небольшой самолет – авиетку. В 1927–1930 участвовал в планерных соревнованиях в Крыму под Коктебелем, где летал сам и представлял свои планеры. В эти же годы Королев пришел к мысли поставить на планер ракетный двигатель. В начале 1930-х годов он стал одним из инициаторов создания Группы изучения реактивного движения (ГИРД), которая разработала и запустила 17 августа 1933 ракету «ГИРД-09» на гибридном топливе.

В сентябре 1933 на базе Московской организации ГИРД и Ленинградской газодинамической лаборатории был создан Реактивный научно-исследовательский институт во главе с И. Т. Клейменовым, заместителем которого был назначен Королев. В 1937–1938 произошли трагические события: по ложным обвинениям во вредительстве был арестован и расстрелян И. Т. Клейменов и арестованы еще пять сотрудников, в том числе Королев. 27 сентября 1938 Королев был осужден на 10 лет заключения в исправительно-трудовых лагерях строгого режима и отправлен на Колыму.

В 1939 новое руководство НКВД решило организовать конструкторские бюро, в которых должны были трудиться заключенные специалисты. В одно из таких бюро, возглавляемое А.Н.Туполевым, тоже заключенным, и был направлен Королев. Вскоре после начала войны Особое техническое бюро Туполева эвакуировали в Омск. В Омске Королев узнал, что в Казани аналогичное бюро занимается ракетными ускорителями, и добился перевода в Казань. В эти же годы он начал самостоятельно разрабатывать проект нового аппарата – ракеты для полетов в стратосферу. 27 июля 1944 по указу Президиума Верховного Совета СССР Королев и ряд других сотрудников режимного КБ были досрочно освобождены со снятием судимости.

После окончания войны во второй половине 1945 Королев в числе других специалистов был командирован в Германию для изучения немецкой техники. Параллельно с изучением и испытаниями ракет Королев, назначенный главным конструктором баллистических ракет, с группой сотрудников разработал ракету на жидком топливе Р-1; в мае 1949 состоялось несколько пусков геофизических ракет такого типа. В те же годы были разработаны ракеты Р-2, Р-5 и Р-11. Все они были приняты на вооружение и имели научные модификации.

В середине 1950-х годов в КБ Королева была создана знаменитая Р-7 – двухступенчатая ракета, которая обеспечила достижение первой космической скорости и возможность вывода на околоземную орбиту летательных аппаратов массой в несколько тонн.

С 1959 Королев руководил программой исследований Луны. В рамках этой программы к Луне было направлено несколько космических аппаратов, в том числе аппаратов с мягкой посадкой, а 12 апреля 1961 осуществлен первый полет человека в космос.