Ông sinh ra trong một gia đình trung lưu. Bố ông là Edward Tsiolkovsky (tiếng Ba Lan: Ciołkowski), một người Ba Lan; mẹ ông là Maria Yumasheva, một phụ nữ Nga. Bố ông bị lưu đày đến Nga bởi những hành động cách mạng chống lại những việc làm của nhà chức trách Ba Lan thuộc Nga bấy giờ. Năm 10 tuổi Tsiolkovsky mắc một căn bệnh nặng và hậu quả ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng nghe của ông. Và do đó cậu bé Tsiolkovsky không được nhận vào học ở bất kì trường học nào trong vùng bởi vấn đề với khả năng nghe của mình. Kể từ đó Tsiolkovsky bắt đầu việc mà ông sẽ làm suốt đời là tự học.

Tsiolkovsky sáng tạo ra các lý thuyết về nhiều khía cạnh liên quan đến du hành trong không gian và tên lửa đẩy. Ông được coi là cha đẻ của ngành du hành vũ trụ và là người đầu tiên nghĩ ra máy nâng, sáng tạo này đã phát huy tác dụng khi mà tháp Eiffel được xây dựng ở Paris vào năm 1895.

Ông cũng có liên hệ với nhà bác học Nikolai Fyodorov và tin tưởng rằng việc chinh phục vũ trụ sẽ làm biến đổi sâu sắc bộ mặt của cuộc sống loài người, với cuộc sống vĩnh hằng và tồn tại vĩnh viễn.

Ông từng là một giáo viên toán tại một trường trung học thực hành cho đến khi nghỉ vào năm 1920. Từ giữa những năm 1920 trở đi là khoảng thời gian làm việc sôi động nhất trong sự nghiệp nghiên cứu của ông, và Tsiolkovsky đã nổi danh nhờ nó. Ông mất vào 19/9/1935 ở Kaluga và được mai táng trọng thể.