В МВТУ Королев учился на вечернем отделении и посещал планерную школу. В марте 1927 года он получил звание пилота-планериста, а в июне 1930 года получил квалификацию летчика после окончания Московской школы летчиков Общества содействия обороне, авиационному и химическому строительству (Осоавиахима). Но это далеко не все, чем занимался неутомимый Королев: он совмещал работу с учебой (занимая различные должности в конструкторских бюро), был активным членом студенческого аэродинамического кружка, где разработал несколько планеров и легких самолетов. Из письма к матери,1927 год: «И как-то не верится, что такой тяжелый кусок металла и дерева может летать. Но достаточно только оторваться от Земли, как чувствуешь, что машина словно оживает и летит со свистом, послушная каждому движению руля…» Созданные им летательные аппараты – планеры «Коктебель», «Красная Звезда» и легкий самолет СК‑4 – продемонстрировали выдающиеся способности Сергей Королева. Вскоре он прослыл как молодой способный конструктор и опытный летчик. Кстати, Осоавиахим одобрил проект СК‑4 еще до защиты диплома и выделил деньги на его постройку, что само по себе являлось нонсенсом; «Красная Звезда» или СК‑3 прославился тем, что на нем в октябре 1930 года летчик В.А. Степанченок впервые в мире совершил в полете сразу три мертвые петли без буксировки на высоту три километра; а на «Коктебеле» летчик К.Арцеулов установил всесоюзный рекорд дальности парящего полета. На тот момент конструктору исполнилось лишь 23 года. Но мысли Сергея летели дальше его самолетов. Его мечтой было освоение космоса. После окончания МВТУ в феврале 1930 года Сергей получил диплом инженера-аэромеханика, и уже в 1931 году Королев и Фридрих Цандер организовали при Осоавиахиме секцию реактивных двигателей, которая спустя время преобразовалась в Группу изучения реактивного движения (ГИРД). В апреле 1932 года она фактически становится научно-конструкторской лабораторией по разработке ракетных летательных аппаратов, где были построены и запущены первые жидкостные баллистические ракеты.
В 1933–1938 годах Королев работал в Реактивном научно-исследовательском институте Наркомата тяжелой промышленности на различных позициях: начальником группы, старшим инженером группы, начальником отдела, старшим инженером сектора крылатых ракет, начальником сектора, заместителем начальника института. На тот период он разрабатывал ряд проектов летательных аппаратов, в том числе и проект управляемой крылатой ракеты. Позже под руководством Сергея Королева выйдет первая советская баллистическая ракета Р‑1, первые твердотопливные ракеты и знаменитая Р‑7, на базе которой и сейчас делают ракеты «Союз», предназначенные для выведения на круговую орбиту Земли пилотируемых космических кораблей и автоматических космических аппаратов. Имя конструктора долгое время держалось в секрете.
Летом 1938 года Сергея Королева арестовали по ложному обвинению. Следствие показало, что с 1935 года он применял различные методы для ослабления оборонной мощи страны – намеренно тормозил сдачу новых образцов оружия, загружал производство изготовлением заведомо бесперспективных изделий и т. д. Год он провел в Бутырской тюрьме, где на допросах подвергался жестоким пыткам и побоям, в результате которых Королеву сломали челюсти, и он получил сотрясение мозга. Осудили его на 10 лет лишения свободы. Начало его срока ему пришлось отбывать на Колыме, на золотом прииске Мальдяк, в тяжелейших условиях. Там он заболел цингой и едва не умер. «Здесь валяется Король – доходяга из ваших, политических; он заболел и, наверное, уже не встанет», – так сказал уголовник бывшему директору Московского авиазавода М.А. Усачеву, прибывшему отбывать свой срок в те же места. Но в сентябре 1940 года по ходатайству авиаконструктора Андрея Туполева Королева перевели в Москву в закрытое конструкторское бюро НКВД (ЦКБ‑29), о котором уже упоминалось в данной книге. Там трудились выдающиеся инженеры, конструкторы, объявленные врагами народа, и именно там были созданы следующие самолеты – пикирующий бомбардировщик Пе‑2 и фронтовой пикирующий бомбардировщик Ту‑2, которые помогли стране в борьбе с фашистами.