С этого времени раскрывается огромный организаторский талант С. Королева. ГИРДу предоставляют помещение — заброшенный подвал на Садово-Спасской ул., № 19 (на здании теперь мемориальная доска), и гирдовцы в кратчайший срок приводят его в порядок, на площади всего 650 м2
размещают 26 подразделений — проектные, производственные, испытательные (в том числе механический, слесарно-сборочный, сварочный цехи, стендовый и монтажный залы). С. Королев добивается финансирования проводимых исследований и разработок, а с августа 1932 г. — дополнительной поддержки Управления военных изобретений РККА (Рабоче-Крестьянской Красной Армии). Но сложности оставались. Об условиях работы ГИРДа позволяет судить сохранившаяся объяснительная записка С. Королева в финансовое управление РККА по поводу внеплановых приобретений: «Покупка пишущей машинки у частного лица была проведена с разрешения начальника Авиапрома. Покупка трансформатора (600 руб.), парового котла (2000 руб.) и воздушного компрессора была произведена потому, что на территории ГИРДа не было промышленной энергии. Мастерские работали от осветительной энергии, что недопустимо. ГИРД работает в подвале без какого бы то ни было отопления. При дровяных и электрических печах температура опускалась до 0°С». Вот в таких условиях, на энтузиазме, с человеческими потерями (в 1933 г. умирает Ф. Цандер) были созданы и запущены первые советские ракеты на гибридном («ГИРД-09», август 1933 г.) и жидком («ГИРД-10» ноябрь 1933 г.) топливе. Для расширения исследований, конечно же, усилий одной лаборатории было явно недостаточно. 21 сентября 1933 г. в Москве на базе МосГИРДа и Газодинамической лаборатории (ГДЛ) был сформирован Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ). С. Королев назначен заместителем начальника РНИИ, начальником — И. Клейменов, руководитель ГДЛ. Позже в стенах института С. Королев возглавлял отдел крылатых ракет, а с 1937 г. стал начальником группы ракетных аппаратов.Даты, назначения, звания, должности — много их в биографии С. Королева. Среди светлых дней 27 июня 1938 г. — черный: арест. 27 сентября — закрытое судебное заседание и приговор: 10 лет исправительно-трудовых лагерей с поражением в правах на 5 лет и конфискацией имущества. Местом отбывания лагерного срока Сергея Павловича, как и других «врагов народа», стала печально известная Колыма. За облегчение его участи боролась семья, хлопотали прославленные летчики В. Гризодубова, М. Громов, авиаконструктор А. Туполев, хотя последний, кстати, сам находился за тюремной решеткой в стенах ЦКБ-29, созданного народным комиссариатом внутренних дел. Вместе с А. Туполевым в Москве на улице Радио, в переоборудованном под тюрьму здании ЦАГИ, находились знаменитые в авиационном мире конструкторы и инженеры В. Петляков, В. Мясищев, Р. Бартини и др.
С. Королев не сдавался. Он обращается в Верховную прокуратуру, лично к И. В. Сталину с просьбой пересмотреть его дело. 2 марта 1940 г. Сергея Павловича этапируют с Колымы в Москву и заключают в Бутырскую тюрьму. Четыре месяца томительных ожиданий и надежд на лучшее. 10 июля 1940 г. Особое совещание при НКВД под председательством Л. Берии определяет ему срок… 8 лет исправительно-трудовых лагерей. 13 июля С. Королев повторно обращается к И. В. Сталину: «Целью и мечтой моей жизни было создание впервые в СССР столь мощного оружия, как ракетные самолеты. Я могу доказать мою невиновность и хочу продолжать работу над ракетными самолетами для обороны СССР».
В сентябре 1940 г. ему изменяют меру пресечения на отбывание заключения в ЦКБ-29, которым руководил заключенный А. Туполев. С. Королев находился на грани полного физического истощения.
В годы Отечественной войны они вместе с А. Туполевым работают над проектом самолета Ту-2 все в том же ранге заключенных. Узнав, что в Казани есть такая же «шарашка», в которой работают над созданием реактивных двигателей, С. Королев хлопочет о смене места заключения поближе к реактивной технике. В этом ему поспособствовал В. Глушко, один из основоположников жидкостного ракетного двигателестроения, отбывавший срок в Особом техническом бюро (ОКБ) Наркомата внутренних дел. Он добился перевода к нему в Казань заключенного С. Королева. Начались совместные разработки реактивного двигателя для пикирующего бомбардировщика Петлякова — Пе-2. Масштаб личности С. Королева, его вклад в оборону страны вынуждают следственные органы пересмотреть его дело.