К этому времени относятся первые научные исследования Циолковского. Не зная об уже сделанных открытиях, он в 1880—81 гг. написал работу «Теория газов», в которой изложил основы кинетической теории газов. Вторая его работа — «Механика животного организма» (те же годы) получила благоприятный отзыв И.М.Сеченова, и Циолковсий был принят в Русское физико-химическое общество. Основные работы Циолковского после 1884 г. были связаны с четырьмя большими проблемами: научным обоснованием цельнометаллического аэростата (дирижабля), обтекаемого аэроплана, поезда на воздушной подушке и ракеты для межпланетных путешествий. С 1896 г. Циолковский систематически занимался теорией движения реактивных аппаратов и предложил ряд схем ракет дальнего действия и ракет для межпланетных путешествий. После 1917 года Циолковский много и плодотворно работал над созданием теории полёта реактивных самолётов, изобрёл свою схему газотурбинного двигателя; в 1927 г. опубликовал теорию и схему поезда на воздушной подушке.
Важнейшие научные результаты получены Циолковским в теории движения ракет (ракетодинамике). Им впервые была решена задача посадки космического аппарата на поверхность планет, лишенных атмосферы. В 1926-29 годах Циолковский разработал теорию многоступенчатых ракет. Циолковский - основоположник теории межпланетных сообщений. Его исследования впервые показали возможность достижения космических скоростей, доказав осуществимость межпланетных полетов. Он первым изучил вопрос о ракете - искусственном спутнике Земли. Циолковский - первый идеолог и теоретик освоения человеком космического пространства.
Работы Циолковского не получили признания, и лишь после появления в 1923 в Германии статьи Г.Оберта по теории космического полета в СССР начали популяризировать исследования Циолковского. В 1924 г. Циолковский был избран почетным профессором Академии воздушного флота им. А.Е. Жуковского. За «Особые заслуги в области изобретений, имеющих огромное значение для экономической мощи и обороны Союза ССР» Циолковский в 1932 награждён орденом Трудового Красного Знамени. Умер Циолковский в Калуге 19 сентября 1935.