Nasceu em Zhytomyr, filho de Maria Koroleva e Pavel Korolev, em meio às turbulências do fim do período imperial. A primeira infância transcorreu durante a revolução e a guerra civil, marcando uma geração atraída pela tecnologia e por projetos estatais.

Iniciou estudos formais de engenharia no Instituto Politécnico de Kiev, aprofundando-se em mecânica e aeronáutica. Círculos estudantis de projeto e o impulso soviético pela educação técnica o aproximaram do voo e da propulsão.

Koroliov transferiu-se para a Escola Técnica Superior Bauman de Moscou, uma instituição de engenharia de elite na União Soviética. Em Moscou, teve acesso a projetistas de aeronaves, laboratórios e à crescente cultura da aviação experimental.

Projetou e pilotou diversos planadores, chamando atenção em círculos e competições de aviação soviética. O trabalho prático refinou seu instinto estrutural e seu estilo de liderança, priorizando testes rigorosos em vez de apenas teoria.

Com engenheiros de ideias semelhantes, como Friedrich Zander, ajudou a organizar o GIRD para desenvolver foguetes e propulsão a jato. Os orçamentos reduzidos forçaram soluções inventivas, mas o grupo formou o núcleo da astronáutica soviética.

Depois que o GIRD foi incorporado ao Instituto de Pesquisa de Propulsão Reativa (RNII), Koroliov liderou projetos de foguetes de propelente líquido. A mudança institucional trouxe recursos e burocracia, aprimorando sua capacidade de navegar na política.

Foi preso pela NKVD durante o Grande Expurgo de Stálin e acusado de sabotagem, uma acusação comum contra engenheiros. Enviado por detenções brutais e à região de Kolyma, sofreu ferimentos e desnutrição que comprometeram sua saúde.

Koroliov foi transferido dos campos para um bureau secreto de projeto dentro do sistema prisional, onde prisioneiros qualificados atendiam às necessidades do Estado. Sob controle da NKVD e ao lado de engenheiros de ponta, voltou ao trabalho técnico ainda encarcerado.

Com a guerra exigindo especialistas, foi gradualmente reabilitado e voltou a trabalhar abertamente. A passagem de prisioneiro a especialista confiável evidenciou como o sistema soviético podia destruir e, depois, reaproveitar talentos.

Koroliov participou dos esforços soviéticos para examinar locais e equipamentos capturados associados ao programa V-2. Na corrida do início da Guerra Fria, esse trabalho acelerou a compreensão soviética de grandes mísseis balísticos.

Tornou-se projetista-chefe no novo estabelecimento de mísseis centrado no NII-88, mais tarde liderando o OKB-1. Com apoio de autoridades como Dmitri Ustinov, construiu uma cultura de projeto disciplinada e uma vasta rede de subcontratados.

Na transição de poder após Stálin, Koroliov pressionou por foguetes de alcance intercontinental à medida que a rivalidade entre EUA e URSS se intensificava. Defendeu que veículos de lançamento confiáveis exigiam desenvolvimento cuidadoso de propulsão e controle rigoroso de qualidade.

Sua equipe do OKB-1 alcançou sucessos decisivos com o R-7, o primeiro ICBM soviético prático e uma poderosa plataforma de lançamento espacial. O programa exigiu resolver separação de estágios, guiagem e confiabilidade de motores em uma escala sem precedentes.

Em 4 de outubro, o R-7 colocou o Sputnik 1 em órbita, eletrizando a opinião pública mundial e alarmando governos ocidentais. Koroliov aproveitou o triunfo para garantir apoio a um amplo programa espacial além de mísseis militares.

O bureau de Koroliov liderou a série Luna, alcançando o primeiro objeto feito pelo ser humano a atingir a Lua com a Luna 2. Essas missões demonstraram capacidades soviéticas de rastreamento, comunicações e guiagem durante a intensa competição da Guerra Fria.

Koroliov coordenou o programa Vostok que levou Yuri Gagarin à órbita em 12 de abril, um marco para a humanidade. Administrando segredo, risco e cronogramas apertados, impôs redundância rigorosa e disciplina de testes no hardware.

Com o avanço do programa Apollo dos EUA, Koroliov defendeu uma estratégia lunar soviética integrada apesar da competição entre bureaus de projeto. Promoveu o conceito do lançador N1, mas a fragmentação e as restrições de recursos retardaram o progresso.

Koroliov morreu em Moscou após complicações de uma cirurgia, encerrando a mais influente — e publicamente anônima — liderança de engenharia daquela era. Só depois a mídia soviética divulgou seu nome, mudando a forma como o mundo compreendeu o Sputnik e o Vostok.