Несмотря на глухоту, Циолковский стал очень хорошим преподавателем. Он очень добросовестно относился к своим обязанностям, старался использовать любую возможность, чтобы украсить свои занятия разнообразными опытами и демонстрациями. Стабильный заработок дал Константину Эдуардовичу возможность больше времени уделять своим самостоятельным работам. Он заказал из Москвы различные приборы и материалы. Постепенно дом Циолковского превратился в одну большую лабораторию. Занялся ученый и теоретическими проблемами. Правда, здесь отсутствие полноценного высшего образования и научных связей сыграли с ним злую шутку. В ходе напряженной работы он самостоятельно создал кинетическую теорию газов, к тому времени уже разработанную рядом видных ученых. Но эта работа, а также статья «Механика животного организма» привлекли к Циолковскому внимание его коллег, в 1882 году он был принят в Петербургское физико-химическое общество.
В 1883 году Константин Эдуардович закончил рукопись своей первой работы, посвященной перемещению в космическом пространстве. Она была написана в виде научного дневника и носила название «Свободное пространство». В ней были описаны физические явления, а также ощущения и поведение человека в среде, лишенной тяготения, обсуждалась возможность передвижения в космосе, и делался вывод, что единственным возможным способом является реактивное движение. Эту работу часто называют первым трудом по космонавтике. Сам же Циолковский писал, что к исследованиям в этой области его побудили… романы Жюля Верна.
Но не только далекие и неведомые перспективы покорения космоса интересовали ученого. Он живо интересовался и освоением воздушного пространства. В том же 1883 году Константин Эдуардович построил в Боровске монгольфьер. Через два года он приступил к созданию проекта цельнометаллического дирижабля и начал работать над рукописью книги «Теория и опыт аэростата». В 1890 году проект дирижабля Циолковского был рассмотрен Русским техническим обществом. Идеи и расчеты ученого были признаны верными, хотя денег на строительство аппарата он получить так и не смог. Во время поездки Константина Эдуардовича в Москву поддержку ему оказывали виднейшие ученые того времени: Менделеев, Сеченов, Столетов.
Успехи талантливого педагога и ученого были замечены и его непосредственным начальством. В 1892 году Циолковский получает назначение в Калужское уездное училище и в гимназию. Позже он преподавал в реальном и в женском епархиальном училищах. В 1894 году вышла статья «Аэроплан или птицеподобная (авиационная) летательная машина», в которой описывался летательный аппарат, имеющий некоторые интересные черты: пару крыльев, похожих на крылья большой парящей птицы, двигатель внутреннего сгорания, закрытую кабину и автопилот (идея создания этого устройства принадлежит Циолковскому). При этом интересы ученого не ограничивались преподаванием и научной работой. Вскоре после переезда в Калугу он опубликовал фантастическую повесть «На Луне», затем последовала книга «Грезы о земле и небе», статьи о вымышленных обитателях других планет.
В 1896 году Циолковский ознакомился с брошюрой 24-летнего офицера Александра Петровича Федорова «Новый принцип воздухоплавания, исключающий атмосферу как опорную среду». В ней молодой изобретатель описал ракетный аппарат. Задолго до этого, в 1881 году, революционер Кибальчич, находясь в ожидании казни за участие в покушении на Александра II, разработал проект летательного аппарата. Но о нем стало известно только через много лет. В любом случае, мнение о том, что именно Циолковский изобрел реактивный двигатель, является широко распространенным заблуждением. Но работа Федорова побудила Циолковского к созданию, пожалуй, самого значимого его труда «Исследование космического пространства с помощью реактивного двигателя». Работа эта была опубликована только в 1903 году, но еще 10 мая 1897 года Циолковский вывел формулу, позволявшую определить наибольшую скорость полета ракеты, зная ее массу, массу топлива и скорость истечения газов из сопла.
Не оставлял Константин Эдуардович и вопросов воздухоплавания. В том же 1897 году он построил аэродинамическую трубу, вторую в России и первую с открытой рабочей частью. Строительство трубы и изготовление моделей для исследований (более ста) ученый производил на свои средства, но три года спустя после пуска трубы он получил от Академии наук приличное пособие на эти нужды. На эти деньги неугомонный изобретатель построил новую трубу.
В 1902 году жизнь ученого омрачила страшная трагедия. Старший сын Циолковского Игнатий, студент первого курса Московского университета, покончил с собой. Игнатий писал домой бодрые и даже восторженные письма, намеревался перевестись с физико-математического факультета на медицинский и вдруг отравился цианистым калием. Причины, побудившие его к этому шагу, до конца не выяснены, известно только, что последние несколько дней он не посещал занятия и был необычайно задумчив и грустен.