Королев родился 12 января 1907 (30 декабря 1906 по старому стилю) в Житомире в семье учителя гимназии. В 1909 семья перебралась в Киев; вскоре после этого родители разошлись. В 1916 мать вновь вышла замуж и вместе с сыном и мужем переехала в Одессу. В 1917 Сережа поступил в гимназию, однако началась революция, гимназию закрыли, и он стал заниматься самостоятельно по гимназической программе с помощью матери и отчима. В 1921 в Одессе появился отряд гидросамолетов, и будущий конструктор увлекся воздухоплаванием, а в 1923 начал заниматься в планерном кружке. В 1922–1924 он учился в стройпрофтехшколе. В 1924 поступил на механический факультет Киевского политехнического института, но, поскольку там не было открыто аэромеханическое отделение, перешел в 1926 в Московское высшее техническое училище им. Баумана, аэромеханический факультет которого окончил в 1930. И в Киеве, и в Москве он занимался планеризмом: летал на планере, построил свой планер; одновременно учился летать на самолете, получил диплом летчика и построил небольшой самолет – авиетку. В 1927–1930 участвовал в планерных соревнованиях в Крыму под Коктебелем, где летал сам и представлял свои планеры, в том числе планер СК-3, специально сконструированный и построенный для исполнения фигур высшего пилотажа, на котором летчик В.А.Степанчонок впервые в мире на безмоторном летательном аппарате сделал петлю Нестерова. В эти же годы Королев пришел к мысли поставить на планер ракетный двигатель. В начале 1930-х годов он стал одним из инициаторов создания при ОСОАВИАХИМе Группы изучения реактивного движения (ГИРД), которая разработала и запустила 17 августа 1933 ракету «ГИРД-09» на гибридном топливе. В сентябре 1933 на базе Московской организации ГИРД и Ленинградской газодинамической лаборатории (ГДЛ) был создан Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ, впоследствии – НИИ-3, а затем НИИ-1) во главе с И.Т.Клейменовым, заместителем которого был назначен Королев (вскоре вместо него заместителем начальника института стал Г.Э.Лангемак). В РНИИ Королев занимался созданием крылатых ракет с гироскопическим автопилотом и с гирокомандной системой наведения, снабженных жидкостным ракетным двигателем конструкции В.П.Глушко. Кроме того, он работал над проектом ракетоплана. Ракетоплан РП-318-1, созданный на базе планера Королева и двигателя Глушко, совершил первый полет 28 февраля 1940. Однако до этого в РНИИ в 1937–1938 произошли трагические события: по ложным обвинениям во вредительстве были арестованы и расстреляны И.Т.Клейменов и Г.Э.Лангемак и арестованы еще пять сотрудников, в том числе Королев и Глушко. 27 сентября 1938 Королев был осужден на 10 лет заключения в исправительно-трудовых лагерях строгого режима и отправлен на Колыму.

В 1939 новое руководство НКВД решило организовать конструкторские бюро, в которых должны были трудиться заключенные специалисты. В одно из таких бюро, возглавляемое А.Н.Туполевым, тоже заключенным, и был направлен Королев. Этот коллектив занимался проектированием и созданием пикирующего бомбардировщика Ту-2. Вскоре после начала войны Особое техническое бюро Туполева эвакуировали в Омск. В Омске Королев узнал, что в Казани аналогичное бюро занимается ракетными ускорителями для бомбардировщика Пе-2 под руководством бывшего сотрудника НИИ-3 Глушко. Королев добился перевода в Казань, где стал заместителем Глушко. В эти же годы он начал самостоятельно разрабатывать проект нового аппарата – ракеты для полетов в стратосферу. 27 июля 1944 по указу Президиума Верховного Совета СССР Королев и ряд других сотрудников режимного КБ были досрочно освобождены со снятием судимости.

После окончания войны во второй половине 1945 Королев в числе других специалистов был командирован в Германию для изучения немецкой техники. Особый интерес для него представляла немецкая ракета V-2 (Фау-2), обладавшая дальностью полета ок. 300 км при стартовой массе ок. 13 т. Параллельно с изучением и испытаниями ракеты V-2 Королев, назначенный главным конструктором баллистических ракет, с группой сотрудников разработал ракету на жидком топливе Р-1; в мае 1949 состоялось несколько пусков геофизических ракет такого типа. В те же годы были разработаны ракеты Р-2, Р-5 и Р-11. Все они были приняты на вооружение и имели научные модификации. В середине 1950-х годов в КБ Королева была создана знаменитая Р-7 – двухступенчатая ракета, которая обеспечила достижение первой космической скорости и возможность вывода на околоземную орбиту летательных аппаратов массой в несколько тонн. Эта ракета (с ее помощью были выведены на орбиту первые три спутника) затем была модифицирована и превращена в трехступенчатую (для вывода «лунников» и полетов с человеком). Первый спутник был запущен 4 октября 1957, через месяц – второй, с собакой Лайкой на борту, а 15 мая 1958 – третий, с большим количеством научной аппаратуры. С 1959 Королев руководил программой исследований Луны. В рамках этой программы к Луне было направлено несколько космических аппаратов, в том числе аппаратов с мягкой посадкой, а 12 апреля 1961 осуществлен первый полет человека в космос. При жизни Королева на его космических кораблях в космосе побывало еще десять советских космонавтов, был осуществлен выход человека в открытый космос (А.А.Леонов 18 марта 1965 на КК «Восход-2»). Королевым и группой координируемых им организаций были созданы космические аппараты серий «Венера», «Марс», «Зонд», искусственные спутники Земли серий «Электрон», «Молния-1», «Космос», разработан космический корабль «Союз».

Сергей Павлович Королев скончался 14 января 1966. В том же году АН СССР учредила золотую медаль его имени «За выдающиеся работы в области ракетно-космической техники». Именем Королева названо крупнейшее образование на обратной стороне Луны.