Pour des raisons de secret et de sécurité, Korolev demeure officiellement absent de la conquête spatiale soviétique. Son nom n'apparaît dans aucun communiqué officiel, alors qu'il est le maître d'œuvre du programme spatial soviétique, lancé à la fin de la Seconde Guerre mondiale.
La conquête de l'espace répond à des objectifs militaires. Korolev reçoit le cahier des charges suivant : créer un missile balistique intercontinental capable de transporter une bombe H de 5 tonnes sur 8 000 km. Il crée la R-7 Semiorka en groupant plusieurs faisceaux de moteurs — un seul moteur aurait été incapable de fournir la poussée suffisante pour transporter une telle charge — mais en gardant la possibilité de l'utiliser également comme lanceur spatial, en n'oubliant pas son rêve d'exploration de l'espace.
Pour lancer un satellite dans l'espace, il doit néanmoins convaincre les membres du parti ainsi que les militaires, qui sont sceptiques. La volonté de Korolev est strictement scientifique ; il s'appuiera donc sur des arguments militaires (forte charge utile et grande portée), politique (propagande de la réussite technique soviétique face aux États-Unis) voire stratégique (la possibilité de satellite espion) pour lancer ce programme. Après de nombreux échecs, dus successivement à des fuites de carburant, à des allumages tardifs ou prématurés d'un moteur, à un mauvais calcul de trajectoire ou aux vibrations de la fusée lors de son ascension, Korolev réussit un lancement. Il en informe ses supérieurs haut placés, et obtient auprès des dirigeants (politiques et militaires) du programme spatial soviétique l'autorisation d'effectuer un autre lancement, afin de confirmer la fiabilité de la R7 et permettre la mise en orbite d'un satellite. En pleine course à l'espace avec les Américains, et pour gagner du temps, la charge utile initialement prévue est mise de côté (et sera finalement lancée en tant que Spoutnik 3) pour laisser place à un petit satellite de masse et d'équipement scientifique minimal : un émetteur radio juste capable de lancer des signaux audibles autour de la terre pendant quelques jours.
Le 4 octobre 1957, une fusée R7 lance le premier satellite artificiel dans l'espace, le Spoutnik-1, qui après débat, a pris la forme d'une sphère selon le vœu de Korolev.
Le 3 novembre 1957, il envoie le premier animal terrestre dans l'espace, une chienne nommée Laïka. Elle y reste 6 heures, mais décède d'hyperthermie, le système de régulation de température de sa capsule étant tombé en panne. L'URSS cachera ce semi-échec, comme beaucoup d'autres, pendant 40 ans.
C'est également lui qui, le 12 avril 1961, via le programme Vostok, permet à Youri Gagarine de devenir le premier homme dans l'espace.
Plus tard, il participe au programme Soyouz.
Il se charge aussi de piloter le programme de conquête de la Lune. Il conçoit pour cela les plans de la très grande fusée fusée N1 qui ne connaîtra que des échecs. Les dernières fusées de ce type seront transformées en hangar.
Affaibli par la pression exercée par le Politburo et sa charge de travail, il subira une chirurgie exploratrice qui révèlera une tumeur. Son cœur, affaibli par les six années passées au Goulag, ne résiste pas à l'anesthésie ; il meurt d'un arrêt cardiaque le 14 janvier 1966. Ses cendres sont entreposées à la nécropole du mur du Kremlin.
Après son décès, son adjoint Vassily Michine prend sa succession en tant que constructeur général.