지토미르에서 마리아 코롤료바와 파벨 코롤료프 사이에서 태어났으며, 제정 말기의 격변 속에서 유년기를 보냈다. 혁명과 내전을 겪는 환경은 기술과 국가 사업에 끌리던 세대의 공기를 형성했고, 그의 성장에도 영향을 주었다.

키이우 폴리테크닉 연구소에서 공학을 정식으로 배우기 시작하며 역학과 항공학에 몰입했다. 학생 설계 동아리와 기술 교육을 장려하던 국가적 흐름이 그를 비행과 추진 분야로 이끌었다.

소련 최고 수준의 공학 교육 기관인 바우만 모스크바 고등기술학교로 옮겼다. 모스크바에서 항공기 설계자들과 연구실, 실험 항공 문화에 접근하며 경험의 폭을 넓혔다.

여러 대의 글라이더를 설계하고 직접 비행하며 소련 항공계와 대회에서 주목을 받았다. 이 실무 경험은 이론만이 아닌 엄격한 시험을 중시하는 감각과 리더십을 다듬는 계기가 되었다.

프리드리히 잔더 등 뜻을 같이한 공학자들과 함께 로켓과 제트 추진을 개발하기 위한 연구단을 조직했다. 부족한 예산은 창의적 해법을 강요했지만, 소련 로켓 공학의 핵심 기반을 만들어냈다.

연구단이 반응추진 연구기관으로 편입된 뒤 액체 추진제 로켓 프로젝트를 이끌었다. 제도적 변화는 자원과 관료주의를 함께 가져왔고, 그는 정치적 환경을 헤쳐 나가는 능력을 더욱 단련했다.

스탈린 시기의 대숙청 속에서 국가보안기관에 체포되어 공학자들에게 흔히 적용되던 파괴 공작 혐의로 기소되었다. 혹독한 구금과 콜리마로의 이송 과정에서 부상과 영양실조를 겪었고, 이는 평생 건강에 그림자를 드리웠다.

수용소에서 비밀 수감 설계국으로 옮겨져, 숙련된 수감자들이 국가 사업을 위해 연구·설계를 수행하는 환경에 놓였다. 감시 아래 정상급 공학자들과 함께 일하며, 수감 상태를 유지한 채 공학 업무로 복귀했다.

전쟁이 전문성을 요구하면서 점차 명예가 회복되었고 공개적으로 일할 수 있게 되었다. 수감자에서 신뢰받는 전문인력으로의 전환은 소련 체제가 인재를 파괴하면서도 다시 동원하는 양면성을 보여주었다.

전후 소련의 조사 활동에 참여해 독일 로켓 시설과 장비를 분석하고 확보된 기술을 검토했다. 냉전 초기의 경쟁 속에서 이 경험은 대형 탄도미사일에 대한 소련의 이해를 빠르게 끌어올렸다.

새로 구축된 미사일 연구 체계의 핵심 기관에서 최고 설계자가 되었고, 이후 주요 설계국을 이끌었다. 그는 고위 관료들의 지원을 바탕으로 엄격한 설계 문화를 만들고 방대한 협력업체 네트워크를 구축했다.

권력 이행기와 미소 경쟁이 격화되는 가운데 대륙간 사거리의 로켓 개발을 강하게 추진했다. 그는 신뢰할 수 있는 발사체를 위해서는 추진 기술의 신중한 발전과 엄격한 품질 관리가 필요하다고 주장했다.

그의 설계국 팀은 알세븐 개발에서 핵심적 성공을 거두었고, 이는 소련 최초의 실용적 대륙간탄도미사일이자 강력한 우주 발사 플랫폼이 되었다. 전례 없는 규모에서 단계 분리, 유도, 엔진 신뢰성 문제를 해결해야 했던 프로그램이었다.

10월 4일 알세븐이 스푸트니크 1호를 궤도에 올리며 전 세계 여론을 뒤흔들고 서방 정부를 긴장시켰다. 그는 이 성과를 발판으로 군사용 미사일을 넘어서는 폭넓은 우주 계획에 대한 지원을 확보했다.

그의 설계국은 루나 시리즈를 이끌며 루나 2호로 인류가 만든 물체가 최초로 달에 도달하는 성과를 냈다. 이 임무들은 치열한 냉전 경쟁 속에서 소련의 추적, 통신, 유도 능력을 과시했다.

그는 4월 12일 유리 가가린을 궤도에 올린 보스토크 계획을 총괄해 인류의 이정표를 세웠다. 비밀 유지, 위험 관리, 촉박한 일정 속에서도 하드웨어에 엄격한 중복 설계와 시험 규율을 적용했다.

미국의 달 계획이 진척되자, 그는 경쟁하는 여러 설계국을 조율한 통합적 달 전략을 주장했다. 그는 엔원 발사체 구상을 밀었지만, 조직 분열과 자원 제약이 진전을 늦췄다.

모스크바에서 수술 합병증으로 사망하며, 대중에게는 익명에 가까웠던 시대의 가장 영향력 있는 공학 리더십이 막을 내렸다. 그가 세상을 떠난 뒤에야 언론이 그의 이름을 공개하면서, 세계는 스푸트니크와 보스토크의 배후를 새롭게 이해하게 되었다.