Khi Chiến tranh Vệ quốc vĩ đại nổ ra năm 1941, Chelomey làm việc tại Viện thiết kế Động cơ Hàng không Trung ương Baranov (TsIAM) ở Moscow. Tại đây, ông đã tạo ra động cơ phản lực xung đầu tiên của Liên Xô vào năm 1942, độc lập với những phát triển tương tự đang diễn ra ở Đức Quốc xã.

Vào mùa hè năm 1944, phát xít Đức đã sử dụng tên lửa hành trình V-1 tấn công miền Nam nước Anh. Vào ngày 9 tháng 10 năm 1944, theo quyết định của Ủy ban Quốc phòng Liên bang Xô Viết và Ủy viên Nhân dân Công nghiệp Hàng không Alexey Shakhurin, Chelomey được bổ nhiệm làm Giám đốc kiêm Thiết kế trưởng của Nhà máy N51 (Giám đốc trước đó của nhà máy là Nikolay Polikarpov đã qua đời một thời gian ngắn trước đó). Chelomey là người đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tên lửa hành trình đầu tiên của Liên Xô. Ngay từ tháng 12 năm 1944, tên lửa hành trình 10Kh, đã được bắn thử nghiệm từ máy bay Petlyakov Pe-8 và Tupolev Tu-2.[1]