Nació en Zhytomyr, hijo de María Koroliova y Pável Koroliov, en medio de las convulsiones del final de la era imperial. Su primera infancia transcurrió durante la revolución y la guerra civil, moldeando a una generación atraída por la tecnología y los proyectos del Estado.

Inició estudios formales de ingeniería en el Instituto Politécnico de Kiev, sumergiéndose en la mecánica y la aeronáutica. Los círculos estudiantiles de diseño y el impulso soviético a la educación técnica lo orientaron hacia el vuelo y la propulsión.

Se trasladó a la Escuela Técnica Superior Bauman de Moscú, una institución de élite de la ingeniería soviética. Allí accedió a diseñadores de aeronaves, laboratorios y a la creciente cultura de la aviación experimental.

Diseñó y pilotó varios planeadores, ganando notoriedad en los círculos y competiciones de aviación soviéticos. El trabajo práctico afinó su instinto estructural y su estilo de liderazgo, priorizando las pruebas rigurosas por encima de la teoría.

Junto con ingenieros afines como Friedrich Zander, ayudó a organizar el grupo para desarrollar cohetes y propulsión a reacción. Los presupuestos reducidos obligaron a soluciones ingeniosas, pero el grupo creó un núcleo para la cohetería soviética.

Tras la absorción del grupo por el Instituto de Investigación de Propulsión a Reacción, dirigió proyectos de cohetes con propelentes líquidos. El cambio institucional aportó recursos y burocracia, agudizando su capacidad para navegar la política.

Fue arrestado por el NKVD durante la Gran Purga de Stalin y acusado de sabotaje, un cargo habitual contra ingenieros. Tras duros interrogatorios y el traslado a Kolimá, sufrió lesiones y desnutrición que afectarían su salud de por vida.

Fue transferido desde los campos a una oficina secreta de diseño en prisión, donde los reclusos cualificados servían a las necesidades del Estado. Bajo control del NKVD y junto a ingenieros destacados, volvió al trabajo técnico sin dejar de estar encarcelado.

A medida que la guerra exigía especialistas, fue rehabilitado gradualmente y se le permitió trabajar de nuevo de forma abierta. La transición de prisionero a experto de confianza mostró cómo el sistema soviético podía destruir y, a la vez, reutilizar el talento.

Se unió a los esfuerzos soviéticos para examinar emplazamientos y material capturado asociados al programa del V-2. En la carrera temprana de la Guerra Fría, este trabajo aceleró la comprensión soviética de los grandes misiles balísticos.

Se convirtió en diseñador jefe en el nuevo entramado de misiles centrado en el NII-88, y más tarde pasó a dirigir la OKB-1. Con el apoyo de dirigentes como Dmitri Ustínov, creó una cultura de diseño disciplinada y una amplia red de subcontratistas.

En la transición de poder tras la muerte de Stalin, presionó para desarrollar cohetes de alcance intercontinental mientras se intensificaba la rivalidad entre Estados Unidos y la Unión Soviética. Sostenía que vehículos de lanzamiento fiables requerían un desarrollo cuidadoso de la propulsión y un control de calidad estricto.

Su equipo en la OKB-1 logró éxitos clave con el R-7, el primer misil balístico intercontinental soviético práctico y una potente plataforma de lanzamiento espacial. El programa exigió resolver, a una escala inédita, la separación de etapas, la guiado y la fiabilidad de los motores.

El 4 de octubre, el R-7 colocó en órbita el Sputnik 1, electrizando a la opinión pública mundial y alarmando a los gobiernos occidentales. Aprovechó el triunfo para asegurar apoyo a un programa espacial amplio más allá de los misiles militares.

Su oficina de diseño lideró la serie Luna, logrando que el primer objeto construido por el ser humano alcanzara la Luna con la misión Luna 2. Estas misiones mostraron las capacidades soviéticas de seguimiento, comunicaciones y guiado en plena competencia de la Guerra Fría.

Orquestó el programa Vostok que llevó a Yuri Gagarin a la órbita el 12 de abril, un hito para la humanidad. Entre secreto, riesgo y plazos ajustados, impuso una estricta disciplina de redundancia y pruebas en el hardware.

Mientras avanzaba el programa Apolo de Estados Unidos, defendió una estrategia lunar soviética integrada pese a la competencia entre oficinas de diseño. Promovió el concepto del lanzador N1, pero la fragmentación y las limitaciones de recursos frenaron el progreso.

Murió en Moscú por complicaciones tras una cirugía, poniendo fin a la forma de liderazgo técnico más influyente y, a la vez, públicamente anónima de aquella época. Solo después los medios soviéticos divulgaron su nombre, cambiando la manera en que el mundo entendió el Sputnik y el Vostok.