Družina Koroljova se je leta 1917 preselila v Odeso, kjer je mladi Sergej končal gradbeno šolo in dobil poklic zidarja. Sanjaril je o letalstvu in leta 1929 končal letalsko-mehanično fakulteto Moskovskega višjega tehničnega učilišča (MVTU) Baumana, naslednje leto pa še Moskovsko pilotsko šolo. Seznanil se je z deli velikega teoretika, očeta kozmonavtike (astronavtike), Konstantina Ciolkovskega, se začel zanimati za raketno tehniko in uspel zbrati kolektiv navdušencev - Skupino za proučevanje reaktivnega pogona (GIRD), ki je leta 1933 izstrelila prvo sovjetsko raketo na tekoče gorivo. Koroljov je od leta 1933 do leta 1938 delal v Reaktivnem znanstvenoraziskovalnem inštitutu. Razvil je vrsto projektov letal in zgradil raketoplan RP-318-1 z motorjem na tekoče gorivo. Leta 1938 so ga obtožili, da je član trockistične organizacije, obsodili in do leta 1944 je bil zaprt: najprej na Kolimi, od leta 1940 pa je še vedno zaprt lahko delal na področju letalstva: od leta 1942 do leta 1946 celo kot namestnik glavnega konstruktorja raketnih pospeševalnih motorjev za vojaška letala.
Koroljova so po vojni poslali v Nemčijo. Tam je bil od septembra 1945 do januarja 1947. Kasneje je izjavil, da nemške rakete nanj niso napravile vtisa, drugače pa je menil o obsegu industrijskih zmogljivostih, ki so ga Nemci namenili proizvodnji raket. Od avgusta 1946, ko je postal glavni konstruktor sovjetskih balističnih raket, do konca življenja je bil Koroljov glavni konstruktor sovjetske raketno-vesoljske tehnike. Pod njegovim vodstvom so leta 1957 izdelali prvi Zemljin umetni satelit Sputnik, vesoljsko ladjo Vostok v kateri je leta 1961 planet obkrožil prvi vesoljec Jurij Gagarin, itd. Koroljov ima zasluge za napredek pri izdelovanju nosilnih raket in vesoljskih plovil. Med njimi so sonde luna, venera, mars, zond in Zemljini umetni sateliti serije elektron, molnija in drugi.
Akademika Koroljova so v zadnjem desetletju življenja velikokrat nagradili in odlikovali, v Moskvi pa so mu zgradili razkošno vilo, ki je zdaj muzej. Spomeniki ruskemu raketnemu strokovnjaku so v Moskvi, Koroljovu, Žitomiru, na Bajkonuru in v drugih mestih, po njem se imenuje letalski inštitut v Samari, v Moskvi je ulica Akademika Koroljova, po Koroljovu pa so poimenovali tudi krater, podoben manjšemu "morju", premera 460 kilometrov na Luni.
