Năm 1945, Korolyov được thưởng bằng khen danh dự, phần thưởng đầu tiên, cho những đóng góp phát triển động cơ tên lửa cho máy bay quân sự. Cùng năm đó, ông chuyển sang ngạch quân sự, với cấp bậc đại tá[cần dẫn nguồn]. Cùng với các chuyên gia tên lửa khác, ông bay sang Đức để tập trung dữ liệu về tên lửa V-2. Các chuyên gia Xô viết đặt ưu tiên là khôi phục tài liệu tên lửa V-2 đã thất lạc và nghiên cứu nhiều bộ phận tên lửa cũng những các máy móc chế tạo chúng. Năm 1946, chính phủ Liên Xô quyết định đưa 5.000 công nhân Đức đã tham gia sản xuất tên lửa về Liên Xô để phục vụ dự án tên lửa của mình. Phần lớn số công nhân này là những chuyên viên kỹ thuật không quan trọng vì những nhà khoa học tên lửa hàng đầu của Đức (trong đó có Wernher von Braun) đã bị đưa sang Mỹ trong chiến dịch Paperclip.

Lãnh tụ Liên Xô lúc đó – Stalin quyết định việc phát triển tên lửa là ưu tiên cấp quốc gia. Các công nhân đưa từ Đức về làm việc tại viên nghiên cứu tên lửa mới thành lập mang tên NII-88 (tiếng Nga: научно-исследовательский институт № 88). Họ được đối đãi tốt dưới sự trông coi bởi các giám sát nữ. Công tác nghiên cứu phát triển tên lửa đạn đạo được đặt dưới sự lãnh đạo quân sự, Korolyov là tổng công trình sư về tên lửa tầm xa. Ông thể hiện một năng lực tổ chức, vận hành bộ máy nhiều phòng ban, nhiều chức năng.

Với những tài liệu được phục hồi, cùng những bộ phận rời của tên lửa V-2, tổ phát triển tên lửa bắt đầu tái tạo V-2, dưới tên R-1. Thử nghiệm đầu tiên tiến hành tháng 10 năm 1947. Trên tổng số 11 tên lửa phóng đi, 5 quả bắn trúng mục tiêu. Tỷ lệ này tương đương với kết quả của người Đức và cho thấy V-2 không ổn định. Những công nhân Đức tiếp tục làm việc tại Liên Xô cho chương trình tên lửa. Họ bắt đầu được trở về Đức năm 1952 và những người cuối cùng trở về năm 1954.

Từ năm 1947, bộ phận dưới quyền Korolyov bắt đầu phát triển các thiết kế tiên tiến hơn, với yêu cầu về tầm bắn và sức chở lớn hơn. Tên lửa R-2 đạt tầm bắt gấp đôi V-2, nó là thiết kế đầu tiên mang một đầu đạn. Kế tiếp tên lửa R-3 đạt cự ly 3.000 km tức là có thể vươn tới lãnh thổ Anh. Tuy nhiên, Glushko đã không thể phát triển được các động cơ tên lửa đáp ứng yêu cầu về sức đẩy. Thiết kế R-3 bị hủy bỏ năm 1952.

Cùng năm 1952, dự án tên lửa R-5 được bắt đầu (khối NATO đặt tên cho nó là SS-3 Shyster) và đạt tầm bắn khiêm tốn 1.200 km. Cuộc phóng thử thành công đầu tiên đạt được ngay năm 1953. Nhưng R-7 Semyorka mới là tên lửa đạn đạo liên lục địa đầu tiên trên thế giới, NATO gọi nó là SS-6 Sapwood. Đây là tên lửa hai lớp đẩy, trọng tải tối đa 5,4 tấn, đủ sức mang một đầu đạn hạt nhân khổng lồ của Liên Xô tới mục tiêu cách xa 7.000 km. Sau một số thử nghiệm thất bại, R-7 phóng thành công tháng 8 năm 1957, đích là một địa điểm trên bán đảo Kamchatka.

Năm 1952, Korolyov gia nhập Đảng cộng sản, một thuận lợi để ông tiếp tục lãnh đạo các dự án trong tương lai. Ngày 19 tháng 4 năm 1957, ông được khôi phục hoàn toàn quyền công dân, chính phủ ghi nhận bản án năm 1938 với ông là không chính đáng.