В 1942 году Королев был переведен в ОКБ-16 при Казанском авиазаводе 16, где велись работы над ракетными двигателями новых типов. Через год он дорос до должности главного конструктора группы реактивных установок. В сентябре 1945 года Королев появился уже в оккупированной Германии по заданию наркомата вооружений для изучения немецкого ракетостроения. Ему было присвоено воинское звание подполковника Советской армии.
В 1946 году Сергей Королев получил новую работу как генеральный конструктор ракет дальнего действия в НИИ-88, исследовательском институте в Москве, который отвечал за производство советских ракет-носителей на основе технологий «ФАУ-2». Самым ценным советским приобретением среди немецких специалистов-ракетчиков оказался инженер Гельмут Греттруп. В СССР он жил вместе с семьей рядом с секретной лабораторией на озере Селигер. Остальных немецких специалистов распределили в зависимости от специальности по другим КБ и институтам.
Если американцам достались практически готовые «ФАУ-2», то в Советском Союзе их пришлось собирать практически с нуля. К лету 1947 года Королеву при поддержке Греттрупа и других пленных немецких специалистов удалось собрать едва с десяток ракет. Тем не менее этого было достаточно для того, чтобы активизировать испытания на полигоне Капустин Яр, расположенном в 90 км южнее Сталинграда (ныне Волгоград). Полигон находился в полупустыне, в удаленном от поселений месте, но был соединен железной дорогой со Сталинградом. Условия в Капустином Яре были суровыми, стационарные сооружения отсутствовали. Персонал полигона был вынужден жить в палатках или в вагончиках. Континентальный климат диктовал свои условия: зимой — лютый мороз, летом — невыносимая жара, а для неосмотрительных опасным дополнением служили ядовитые змеи и тарантулы.
Первый запуск «ФАУ-2» на советской земле состоялся 18 октября 1947 года, но это можно было считать лишь частичным успехом, так как ракета разрушилась при возвращении в атмосферу. Из 11 запущенных ракет 5 запусков были признаны успешными. Остальные отклонились от своих целей, взорвались либо обнаружили различные технические неполадки. Тем не менее испытания «ФАУ-2» в Капустином Яре стали важной вехой советской космической программы. На основе «ФАУ-2» было решено создать ракету «Р-1».
Над ракетой, на которой Гагарин полетел в космос, работали в Воронежском институте КБХА, осваивали немецкие технологии и создавали новые, собственные. Научной группе довелось работать над созданием двигателя РД 0109, который предназначался для запуска в космос человека. В то время было известно точно лишь то, что новый двигатель будет работать на топливе «жидкий кислород и керосин», поскольку только эти два компонента, смешиваясь в камере, сгорали при температуре 3500 градусов по Цельсию и создавали тягу, достаточную для необходимого разгона. На разработку РД 0109 ушел всего год.