Trong cuộc Đại thanh trừng, những nhân viên của Bộ ủy viên nhân dân nội vụ (tiếng Nga: НКВД, Народный комиссариат внутренних дел - NKVD) bắt Korolyov tại nhà riêng ngày 22 tháng 6 năm 1938. Ông bị buộc tội bí mật chống lại nhà nước chỉ bởi mong muốn phát triển máy bay sử dụng động cơ đẩy nhiên liệu lỏng thay vì nhiên liệu rắn; ông đã tiêu tốn quá nhiều vào chương trình không phải ưu tiên hàng đầu của Viện nghiên cứu động cơ đẩy phản lực. Korolyov bị đánh đập và buộc phải nhận tội. Ông bị kết án 10 năm tù. Sau này ông được biết rằng người vu khống ông là Valentin Glushko – một trong 03 tổng công trình sư nổi tiếng của Liên Xô cùng với Korolyov trong lĩnh vực hàng không vũ trụ sau này. Hai người không có thiện cảm với nhau cho đến cuối đời và Korolyov trở nên luôn nghi ngờ các tổng công trình sư khác.

Sau nhiều tháng đi lại, điểm đến cuối cùng của Korolyov là trại cải tạo cưỡng bức Kolyma ở Siberi. Điều kiện sống trong trại vô cùng khắc nghiệt cả về dinh dưỡng, ăn mặc, chốn ăn ở và sự quản chế của nhân viên. Trại cải tạo nơi ông sống có số tử vong hàng chục ngàn người mỗi năm.[cần dẫn nguồn]

Tuy vậy, số phận Korolyov là rất may mắn so với những thành viên chủ chốt của Viện nghiên cứu động cơ đẩy phản lực kể cả các lãnh đạo, họ đều bị xử bắn trong hai năm 1937 và 1938. Các nhân viên của Viện bị bắt giam, chương trình tên lửa của Liên Xô bị tụt lại nhiều năm và bị bỏ xa bởi nước Đức. Cuộc đại thanh trừng của Stalin gần như vô hiệu hoá quân đội, làm suy yếu nó trầm trọng ngay trước cuộc xâm lược của nước Đức phát xít năm 1941.

Korolyov sống sốt sau 05 tháng tại trại cải tạo cưỡng bức ở Siberi nhưng răng rụng hết, hàm dưới vị vỡ và bắt đầu có triệu chứng bệnh tim. Công việc của ông ở trại là lao động chân tay trong một mỏ vàng lộ thiên. Trong khi đó, vụ án được xem xét lại ở Moskva và ông được chuyển ra khỏi Siberi khắc nghiệt. Trên đường trở về, ông suýt chết vì mắc chứng bệnh sco-bút.

Án của Korolyov được giảm xuống còn 8 năm và những người có ảnh hưởng đã can thiệp để ông không phải quay lại trại cải tạo. Thay vào đó, ông được chuyển đến nhà tù dành cho giới trí thức, nơi các nhà khoa học và kỹ sư làm việc trong các dự án của quân đội. Mãi đến năm 1944, Korolyov mới được gặp lại gia đình. Trước đó, ông làm việc dưới sự lãnh đạo của Tupolev tại phòng thiết kế máy bay, sau đó, dưới quyền Glushko trong các dự án động cơ đẩy phản lực cho máy bay. Ngày 27 tháng 4 năm 1944, cùng với Tupolev, Glushko và nhiều người khác, ông được phóng thích bởi một sắc lệnh đặc biệt của chính phủ và tội trạng được xóa bỏ. Văn phòng thiết kế nơi ông làm việc chuyển từ tay Bộ ủy viên nhân dân nội vụ sang một ủy ban công nghiệp hàng không của nhà nước. Ông tiếp tục làm việc ở đây thêm một năm, là phó cho tổng công trình sư Glushko và nghiên cứu nhiều thiết kế tên lửa khác nhau.