Geboren in Schytomyr als Sohn von Maria Koroljowa und Pawel Koroljow in den späten Umbrüchen des Kaiserreichs. Seine frühe Kindheit fiel in Revolution und Bürgerkrieg und prägte eine Generation, die sich Technik und staatlichen Großprojekten zuwandte.

Er begann ein formales Ingenieurstudium am Polytechnischen Institut Kiew und vertiefte sich in Mechanik und Luftfahrttechnik. Studentische Konstruktionszirkel und der sowjetische Schub für technische Bildung zogen ihn in Richtung Flug und Antrieb.

Koroljow wechselte an die Bauman-Hochschule, eine führende sowjetische Ingenieurinstitution. In Moskau erhielt er Zugang zu Flugzeugkonstrukteuren, Laboren und der wachsenden Kultur der experimentellen Luftfahrt.

Er konstruierte und flog mehrere Segelflugzeuge und wurde in sowjetischen Luftfahrtkreisen und Wettbewerben wahrgenommen. Die Praxis schärfte sein Gespür für Strukturen und seinen Führungsstil, der konsequente Erprobung über reine Theorie stellte.

Mit gleichgesinnten Ingenieuren wie Friedrich Zander half er, eine Gruppe zu organisieren, die Raketen und Strahlantrieb entwickeln sollte. Kleine Budgets zwangen zu erfinderischen Lösungen, doch es entstand ein Kern für die sowjetische Raketentechnik.

Nachdem die Gruppe in ein staatliches Forschungsinstitut für Reaktionsantriebe eingegliedert worden war, leitete Koroljow Projekte zu Raketen mit Flüssigtreibstoff. Der institutionelle Wandel brachte Ressourcen und Bürokratie und schärfte seine Fähigkeit, sich in der Politik zu behaupten.

Er wurde vom NKWD im Zuge von Stalins Großer Säuberung verhaftet und der Sabotage beschuldigt, ein häufiger Vorwurf gegen Ingenieure. Nach brutaler Haft und dem Transport nach Kolyma erlitt er Verletzungen und Unterernährung, die seine Gesundheit dauerhaft belasteten.

Koroljow wurde aus den Lagern in ein geheimes Gefängnis-Konstruktionsbüro verlegt, in dem qualifizierte Häftlinge für den Staat arbeiteten. Unter Kontrolle des NKWD und neben Spitzeningenieuren kehrte er zur Entwicklungsarbeit zurück, blieb jedoch inhaftiert.

Als der Krieg Fachwissen erforderte, wurde er schrittweise rehabilitiert und durfte wieder offen arbeiten. Der Wechsel vom Gefangenen zum vertrauenswürdigen Spezialisten zeigte, wie das sowjetische System Talent zugleich zerstören und wieder einsetzen konnte.

Koroljow beteiligte sich an sowjetischen Bemühungen, erbeutete deutsche Raketenstandorte und Hardware aus dem Umfeld des V-2-Programms zu untersuchen. Im frühen Kalten Krieg beschleunigte diese Arbeit das sowjetische Verständnis großer ballistischer Raketen.

Er wurde Chefkonstrukteur im neuen Raketenkomplex um das NII-88 und übernahm später die Leitung von OKB-1. Mit Unterstützung von Funktionären wie Dmitri Ustinow baute er eine disziplinierte Entwicklungskultur und ein weit verzweigtes Netz von Zulieferern auf.

In der Machtübergangsphase nach Stalin drängte Koroljow auf Raketen mit interkontinentaler Reichweite, während die Rivalität zwischen den USA und der UdSSR zunahm. Er argumentierte, dass zuverlässige Träger sorgfältige Antriebsentwicklung und strenge Qualitätskontrolle erfordern.

Sein OKB-1-Team erzielte entscheidende Erfolge mit der R-7, der ersten praktisch einsetzbaren sowjetischen Interkontinentalrakete und einer leistungsstarken Basis für Raumfahrtstarts. Das Programm verlangte Lösungen für Stufentrennung, Steuerung und Triebwerkszuverlässigkeit in bisher unbekanntem Maßstab.

Am 4. Oktober brachte die R-7 Sputnik 1 in eine Erdumlaufbahn und elektrisierte die Weltöffentlichkeit, während westliche Regierungen alarmiert reagierten. Koroljow nutzte den Triumph, um Unterstützung für ein breites Raumfahrtprogramm jenseits militärischer Raketen zu sichern.

Koroljows Büro führte die Luna-Serie an und erreichte mit Luna 2 das erste von Menschen geschaffene Objekt, das den Mond erreichte. Die Missionen demonstrierten sowjetische Fähigkeiten in Ortung, Kommunikation und Führung während des intensiven Wettbewerbs im Kalten Krieg.

Koroljow orchestrierte das Wostok-Programm, das Juri Gagarin am 12. April in eine Erdumlaufbahn brachte, ein Meilenstein für die Menschheit. Unter Geheimhaltung, Risiko und engen Zeitplänen setzte er auf konsequente Redundanz und strikte Erprobungsdisziplin der Hardware.

Als das Apollo-Programm der USA voranschritt, plädierte Koroljow für eine integrierte sowjetische Mondstrategie trotz konkurrierender Konstruktionsbüros. Er förderte das Konzept des N1-Trägers, doch Zersplitterung und Ressourcenknappheit bremsten den Fortschritt.

Koroljow starb in Moskau an Komplikationen nach einer Operation und beendete damit die einflussreichste, zugleich öffentlich anonyme technische Führung dieser Ära. Erst danach nannte die sowjetische Presse seinen Namen, was das Verständnis der Welt für Sputnik und Wostok nachhaltig veränderte.