Năm 1959, Chelomey được bổ nhiệm làm Tổng công trình sư thiết kế trang bị hàng không.

OKB-52, cùng với việc thiết kế ICBM, bắt đầu nghiên cứu chế tạo tên lửa phóng tàu vũ trụ, vào năm 1961, bắt đầu thiết kế một loại ICBM rất mạnh, ký hiệu UR-500, mặc dù nó nhanh chóng bị bác bỏ vì thực tế không cần phải chế tạo một ICBM lớn như vậy.

Năm 1962, Chelomey trở thành Viện sĩ của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, khoa Cơ học.

Chelomey trở thành Nhà thiết kế tên lửa cạnh tranh với Sergey Korolev trong thời gian diễn ra "Cuộc chạy đua lên mặt trăng" giữa Mỹ và Liên Xô. Chelomey đã đề xuất sử dụng tên lửa UR-500 mạnh mẽ để phóng một tàu vũ trụ nhỏ có phi hành đoàn gồm hai người lên Mặt trăng, và đã cố gắng giành được sự ủng hộ cho đề xuất của mình bằng cách cho thành viên trong gia đình Nikita Khrushchev gia nhập Viện thiết kế của mình. Ông cũng tuyên bố có thể sử dụng tên lửa đẩy UR-500 để phóng vào quỹ đạo một trạm vũ trụ quân sự. Korolev đã phản đối gay gắt tên lửa UR-500 do nó sử dụng nhiên liệu đinitơ tetrôxit cực độc và UDMH.

Sau khi Khrushchev không còn giữ chức, các dự án của Chelomey và Korolev được kết hợp lại, và chương trình đưa người lên Mặt trăng của Liên Xô được tiếp tục. Vụ phóng thử tên lửa đẩy UR-500 (Hay còn gọi là tên lửa đẩy Proton) diễn ra vào đầu năm 1965.

Mặc dù tên lửa Proton không bao giờ được sử dụng để đưa người lên Mặt trăng như hi vọng của Chelomey, nhưng nó đã trở thành tên lửa đẩy hạng nặng của Liên Xô/Nga và nó trở thành tên lửa đẩy mang vệ tinh, trạm không gian, vệ tinh không đồng bộ địa lý,...

Các vệ tinh quay quanh Trái đất như Polyot cũng được thiết kế bởi OKB Chelomey. Không giống như những vệ tinh trước đó, ngay cả các vệ tinh đầu tiên của Chelomey là Polyot-1 (1963) và Polyot-2 (1964) cũng có thể tự thay đổi quỹ đạo của chúng. Ông cũng tham gia phát triển vệ tinh Proton. Trong những năm 1970 OKB Chelomey đề xuất chương trình phát triển tàu con thoi LKS (Kosmolyot) và chế tạo trạm vũ trụ Almaz phục vụ cho mục đích quân sự (trong sứ mệnh Salyut 2, Salyut 3 và Salyut 5), trạm vũ trụ hòa bình Mir và module vũ trụ phục vụ mục đích dân sự Zvezda. Để tiếp tế cho các trạm Almaz của mình, Chelomey đã thiết kế tàu vũ trụ TKS, nhằm thay thế cho tàu Soyuz. TKS không bao giờ thực hiện các chuyến bay có người lái theo kế hoạch nhưng các thế hệ tàu tiếp theo dựa trên nó đã được triển khai dưới dạng mô-đun trên Salyut 7 và Mir. Vào những năm 1980, OKB của Chelomey đã đề xuất thiết kế tàu vũ trụ Uragan 15 tấn phóng vào quỹ đạo từ tên lửa đẩy Zenit-2 nhưng không được chấp nhận.[1]