Первой задачей, поставленной правительством перед ним и всеми организациями, занимающимися ракетным вооружением, было создание копии немецкой ракеты ФАУ-2 из отечественных материалов. Но уже в 1947 г. ученые получили задание на разработку новых баллистических ракет с большей, чем у немецкого прототипа, дальностью полета – до 3 тыс. км. В следующем году главный конструктор приступил к летным испытаниям баллистической ракеты Р-1 и в 1950 г. успешно сдал ее государственной комиссии. В те же годы Королевым были разработаны ракеты Р-2, Р-5 и Р-11, впоследствии принятые на вооружение.
В 1956 г. под руководством Королева была создана первая отечественная стратегическая баллистическая ракета с ядерным боевым зарядом Р-5М, ставшая основой ракетно-ядерного щита страны. В этот период ОКБ-1 стало самостоятельной организацией, главным конструктором и директором которой был назначен С. П. Королев. В следующем году под его руководством были созданы первые мобильные баллистические ракеты наземного и морского базирования.
В 1960 г. на вооружение ракетных войск стратегического назначения была принята первая межконтинентальная ракета Р-7, которая обеспечивала достижение первой космической скорости и возможность вывода на околоземную орбиту летательных аппаратов массой в несколько тонн. До этого с ее помощью были выведены на орбиту первые три искусственных спутника Земли. Позднее Королев, избранный в 1958 г. действительным членом Академии наук, говорил: «Он был мал, этот самый первый искусственный спутник нашей старой планеты, но его звонкие позывные разнеслись по всем материкам и среди всех народов как воплощение дерзновенной мечты человечества». Когда о первом запуске стало известно президенту США Эйзенхауэру, он воскликнул: «Если бы в России свершилась еще одна Октябрьская революция, я еще поверил бы, но в то, что русские запустили спутник, – никогда». Но самую глубокую оценку событию, по мнению Королева, дал Ф. Жолио-Кюри: «Это великая победа человека, которая является поворотным пунктом в истории цивилизации. Человек больше не прикован к своей планете…» Впоследствии Р-7 была модифицирована и превращена в трехступенчатый носитель для вывода «лунников» и полетов с человеком. Это была блестящая победа Королева и его сотрудников.
В дальнейшем гениальный ученый разработал более совершенную компактную двухступенчатую межконтинентальную ракету Р-9, принятую на вооружение в 1962 г., и начал первым в стране разрабатывать твердотопливную межконтинентальную ракету РТ-2, которая была освоена военными уже после его смерти.
Все время, занимаясь боевыми баллистическими ракетами, Сергей Павлович мечтал о покорении космического пространства человеком. Поэтому он еще в 1949 г. начал регулярные эксперименты по изучению параметров ближнего космического пространства, солнечных и галактических излучений, магнитного поля Земли, поведению высокоразвитых животных в космических условиях, а также отработки средств жизнеобеспечения и возвращения животных на Землю из космоса – было произведено около 70 специальных запусков ракет. Этим Сергей Павлович заблаговременно заложил серьезные основы для штурма космоса человеком.
12 апреля 1961 г. люди Земли узнали о том, что в СССР осуществлен первый запуск ракеты с человеком на борту. Весь мир с восторгом произносил по-русски ставшие сразу знаменитыми слова: «Гагарин», «Восток», «космос». В редакционной статье «Нью-Йорк тайме» писала, что полет пилотируемого корабля-спутника – «величайший подвиг в истории извечного стремления человека покорить силы природы…»
При жизни Королева на его космических кораблях в космосе побывало еще десять советских космонавтов, а 18 марта 1965 г. А. А. Леонов осуществил выход человека в открытый космос.
Продолжая развивать программу пилотируемых околоземных полетов, Королев приступил к реализации своих идей о разработке долговременной орбитальной станции. Ее прообразом стал принципиально новый, более совершенный, чем предыдущие, космический корабль «Союз». В состав этого корабля входил бытовой отсек, где космонавты могли бы долгое время находиться без скафандров и проводить научные исследования. В ходе полета предусматривались также автоматическая стыковка на орбите двух кораблей «Союз» и переход космонавтов из одного корабля в другой через открытый космос в скафандрах. К сожалению, Сергей Павлович не дожил до первого старта «Союза», явившегося реальным воплощением его гениальных идей.
Для реализации пилотируемых полетов и запусков автоматических космических станций Королев разработал на базе боевой ракеты семейство совершенных трехступенчатых и четырехступенчатых носителей. Таким образом, его вклад в развитие отечественной и мировой пилотируемой космонавтики является решающим.