Летом 1940 г. Особое совещание при НКВД СССР отменило предыдущий приговор и осудило С. П. 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.
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 пер вые 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.