После расстрела маршала Тухачевского и группы командиров Красной Армии летом 1937 г. некоторые сотрудники РНИИ были арестованы как «участники троцкистской вредительской организации». Сам Сергей Павлович более года находился под секретным надзором, затем был исключен из рядов ВКП(б) и понижен в должности, а 27 июля 1938 г., после аварии во время стендового испытания ракеты, – арестован. Через два месяца Военная коллегия Верховного суда СССР осудила его на 10 лет лишения свободы, с ограничением в правах на 5 лет и конфискацией личного имущества. Местом отбывания наказания была определена Колыма, золотодобывающий прииск Мальдяк.
Летом 1940 г. Особое совещание при НКВД СССР отменило предыдущий приговор и осудило СП. Королева на 8 лет исправительно-трудового лагеря, заменив ярлык «члена антисоветской контрреволюционной организации» на «вредителя в области военной техники». Спустя несколько месяцев мера наказания была пересмотрена, и на основании личного заявления с просьбой использовать его по специальности заключенный Королев был переведен в Центральное конструкторское бюро – спецподразделение НКВД. Там, в стенах ЦКБ-29, под руководством заключенного А.Н. Туполева уже полным ходом велись серьезные разработки нового поколения летательных аппаратов с реактивными двигателями.
Четыре года находился Королев в закрытых конструкторских бюро, или «шарашках», как называли подобные заведения сами арестанты. «Шарашки», как и сам принцип использования дешевой, но весьма квалифицированной рабочей силы, были изобретением наркома Л.П. Берии. Сюда считали за счастье попасть рассеянные по тюрьмам и лагерям ГУЛАГа, измотанные морально и физически инженеры, технологи, конструкторы, ученые…
Под руководством А.Н. Туполева Королев принимал участие в создании и производстве фронтового бомбардировщика Ту-2 и одновременно разрабатывал проекты управляемой жидкостной аэроторпеды и нового варианта истребителя-перехватчика. Это послужило поводом для перевода его в 1942 г. в другую организацию такого же лагерного типа – ОКБ НКВД СССР при Казанском авиазаводе, где велись работы над созданием самолетных двигателей новых типов. Там Королев приступил к воплощению идеи использования ракетных двигателей в самолетостроении.
В июле 1944 г. конструктор был досрочно освобожден и по окончании войны в составе Технической комиссии командирован в Германию для знакомства с немецкой трофейной ракетной техникой. В мае 1946 г. было принято секретное постановление правительства о создании в СССР отрасли по разработке и производству ракетного вооружения. Вскоре все советские специалисты были отозваны из Германии для работы во вновь созданных НИИ и ОКБ. Среди них был и Королев, который по возвращении в Москву приступил к исполнению обязанностей главного конструктора баллистических ракет дальнего действия и начальника отдела НИИ-88 по их разработке. К тому времени он уже развелся со своей женой, ведущим хирургом-травматологом Боткинской больницы, которая отказалась играть роль домохозяйки при муже, отдававшем себя без остатка работе. В мае 1947 г. Сергей Павлович женился на 26-летней Нине Котенковой, работавшей в НИИ в бюро переводов, и счастливо прожил с ней до конца своих дней.
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.