Korolev tiếp tục sự nghiệp học hành ở Trường thương mại xây dựng Odessa, cậu được đào tạo nghề mộc cũng như một số kiến thức khác. Nhưng hơn hết, yêu thích của Korolev là lĩnh vực hàng không, có lẽ niềm ham mê này bắt nguồn từ một cuộc trình diễn hàng không mà cậu được xem năm 1913. Cậu theo đuổi nghiên cứu lý thuyết bay và làm việc cho câu lạc bộ tàu lượn ở địa phương. Một đội thủy phi cơ quân đội lúc đó đóng tại Odessa và Korolev bị lôi cuốn bởi những hoạt động của họ.

Năm 1923, cậu tham gia Hiệp hội Hàng không và Dẫn đường không lưu Ukraina và Crimea. Nhờ tham gia đội thủy phi cơ, cậu đã có những bài học bay đầu tiên và có cơ hội có mặt trên nhiều chuyến bay. Ở tuổi 17, một mình cậu thiết kế tàu lượn được gọi là K-5, thiết kế này sau đó được Hiệp hội cho phép chế tạo. Cũng cùng thời gian này, Korolev được đào tạo để trở thành một vận động viên thể dục dụng cụ, nhưng rồi việc học hành này bị gián đoạn bởi những ham mê hàng không. Năm 1924, Korolev theo học Đại học Bách khoa Kiev vì trường này có bộ môn hàng không. Ở Kiev, cậu sống cùng người cậu Yuri và kiếm tiền trang trải khóa học bằng nhiều việc khác nhau. Chương trình học ở trường định hướng về kỹ thuật và còn nhiều môn toán học, vật lý và chế tạo cơ khí.

Năm 1925, cậu được nhận theo học một khóa về chế tạo tàu lượn. Korolev được phép bay bằng tàu lượn huấn luyện và kết thúc bằng việc hai xương sườn bị gãy. Tháng 07 năm 1926, sau khi kết thúc năm học thứ hai ở Đại học Bách khoa Kiev, Korolev được nhận vào trường Kỹ thuật cao cấp mang tên Bauman ở Moskva.

Cho đến 1929, Korolev học tập chuyên sâu vào lĩnh vực hàng không. Anh tiếp tục sống với gia đình dù điều kiện sống khá chật chội. Cũng năm này, do nhu cầu về kỹ sư lớn và cấp tốc của chính phủ, anh có thể nhận bằng tốt nghiệp nếu thiết kế được một mẫu máy bay có tính thực tế. Korolev đã hoàn thành thiết kế và được phê chuẩn vào cuối năm đó. Giáo viên hướng dẫn của anh chính là Andrei Tupolev.