С. П. Королёв родился 12 января 1907 в городе Житомире (Украина) в семье учителя русской словесности Павла Яковлевича Королёва (1877–1929). Ему было около трёх лет, когда родители развелись. По решению матери, маленького Серёжу отправили в Нежин к бабушке и дедушке. С 1917 года жил с отчимом и матерью, Григорием Михайловичем и Марией Николаевной Баланиными, в Одессе, где с их помощью дома изучал школьную программу. В 1922-1924 годах учился в строительной профессиональной школе, занимаясь во многих кружках и на разных курсах.
В 1924 г. поступил в Киевский политехнический институт по профилю авиационной техники, Королёв за два года освоил в нём общие инженерные дисциплины и стал спортсменом-планеристом. Осенью 1926 года он переводится в Московское высшее техническое училище (МВТУ) имени Н. Э. Баумана.
В 1926 году перевёлся в Московское высшее техническое училище, где участвовал в организации первой в стране планерной школы, окончив её, стал инструктором и испытателем планеров, также окончил школу лётчиков, разрабатывал оригинальные планеры и лёгкие самолёты. С четвёртого курса С.П. Королёв совмещает учёбу с работой в конструкторских бюро (КБ). С 1927 года четыре года подряд участвовал во Всесоюзных планерных состязаниях в Коктебеле, в 1929 году представил там свой первый планер-паритель СК-1 «Коктебель», на котором сам же показал наибольшую продолжительность полёта – 4 часа 19 минут.
В феврале 1930 года С.П. Королёв успешно защитил дипломный проект лёгкого самолёта СК-4 (руководителем был А.Н.Туполев). Параллельно С.П. Королёв конструировал ещё один рекордный аппарат, рассчитанный «на все случаи жизни», – планер СК-3 «Красная звезда», на котором в октябре 1930 года впервые в мире были выполнены петли Нестерова в свободном полёте. С марта 1931 года С.П. Королёв начал работать старшим инженером по лётным испытаниям в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ). Главным событием во время его работы в ЦАГИ можно считать встречу с Ф.А. Цандером, который ещё в сентябре 1930 года начал программу испытаний своего лабораторного ракетного двигателя ОР-1. С.П.Королёв активно включился в совместную работу. В сентябре 1931 года они добиваются создания в Москве с помощью Осоавиахима общественной организации — Группы изучения реактивного движения (ГИРД): В апреле 1932 года она становится по существу государственной научно-конструкторской лабораторией по разработке ракетных летательных аппаратов, в которой создаются и запускаются первые отечественные жидкостно-баллистические ракеты (БР) ГИРД-09 и ГИРД-10.
17 августа 1933 года состоялся первый удачный пуск ракеты ГИРД. В 1936 году С. П. Королёву удалось довести до испытаний крылатые ракеты: зенитную-217 с пороховым ракетным двигателем и дальнобойную-212 с жидкостным ракетным двигателем.
Кроме того, он работал над проектом ракетоплана. Ракетоплан РП-318-1, созданный на базе планера Королева и двигателя Глушко, совершил первый полет 28 февраля 1940. Однако до этого в РНИИ в 1937-1938 произошли трагические события: по ложным обвинениям во вредительстве были арестованы и расстреляны И.Т.Клейменов и Г.Э.Лангемак и арестованы еще пять сотрудников, в том числе Королев и Глушко. 27 сентября 1938 Королев был осужден на 10 лет заключения в исправительно-трудовых лагерях строгого режима и отправлен на Колыму. В 1939 новое руководство НКВД решило организовать конструкторские бюро, в которых должны были трудиться заключенные специалисты. В одно из таких бюро, возглавляемое А.Н.Туполевым, тоже заключенным, и был направлен Королев. Этот коллектив занимался проектированием и созданием пикирующего бомбардировщика Ту-2. Вскоре после начала войны Особое техническое бюро Туполева эвакуировали в Омск.
После того как коллектив А.Н.Туполева был эвакуирован в Омск, С.П. Королёв был направлен в Казань в ОКБ НКВД с задачей разработки применения ЖРД с тягой 300 кг. С.П. Королёв предложил ряд вариантов, из которых был выбран проект авиационной ракетной установки, обеспечивающей кратковременное увеличение скорости боевых самолётов. В результате отработки установка получила высокую оценку. За эту работу С.П. Королёв был награждён орденом «Знак Почёта», а 27 июля 1944 года Президиум Верховного Совета СССР принял постановление о его досрочном освобождении.
В августе 1946 года С. П. Королёв начинает работать в подмосковном Калининграде (затем переименованном в 1996 году в Королёв), где был назначен главным конструктором баллистических ракет дальнего действия и начальником отдела № 3 НИИ-88 по их разработке.
В 1948 году С. П. Королёв начинает лётно-конструкторские испытания баллистической ракеты Р-1 (аналога Фау-2) и в 1950 году успешно сдаёт её на вооружение.
В середине 1950-х годов в КБ Королева была создана знаменитая Р-7 - двухступенчатая ракета, которая обеспечила достижение первой космической скорости и возможность вывода на околоземную орбиту летательных аппаратов массой в несколько тонн. Эта ракета (с ее помощью были выведены на орбиту первые три спутника) затем была модифицирована и превращена в трехступенчатую (для вывода "лунников" и полетов с человеком). Первый спутник был запущен 4 октября 1957, через месяц - второй, с собакой Лайкой на борту, а 15 мая 1958 - третий, с большим количеством научной аппаратуры.
С 1959 Королев руководил программой исследований Луны. В рамках этой программы к Луне было направлено несколько космических аппаратов, в том числе аппаратов с мягкой посадкой, а 12 апреля 1961 осуществлен первый полет человека в космос.
Королевым и группой его единомышленников координируемых им организаций были созданы космические аппараты серий "Венера", "Марс", "Зонд", искусственные спутники Земли серий "Электрон", "Молния-1", "Космос", разработан космический корабль "Союз". Сергей Павлович Королев скончался 14 января 1966. В том же году АН СССР учредила золотую медаль его имени "За выдающиеся работы в области ракетно-космической техники". Именем Королева названо крупнейшее образование на обратной стороне Луны.