Несмотря на то, что положение Королева не соответствовало его амбициям, он последовательно продолжал идти к намеченной цели. В 1934 году Сергей Павлович опубликовал книгу «Ракетный полет в стратосфере», а в стенах РНИИ взялся за проектирование серии боевых крылатых ракет и высотного пилотируемого ракетоплана РП-1.
Завершить работу Королев не успел. В ночь с 11 на 12 июня 1937 года маршал Тухачевский и ряд других военачальников были приговорены к высшей мере наказания и расстреляны за участие в «военно-фашистском заговоре». Вслед за этим начались «чистки» организаций, связанных с расстрелянными. 3 ноября были арестованы директор института Иван Клейменов и его заместитель Георгий Лангемак. Черед Королева пришел несколько позже – он отправился в Бутырскую тюрьму 27 июня 1938 года.
Сначала конструктор отказывался признать себя виновным в «антисоветской деятельности», но после того, как следователь НКВД пригрозил, что аналогичные обвинения будут выдвинуты против жены Королева, а его дочь отправится в детский дом, согласился подписать соответствующее заявление наркому. Вероятно, Сергей Павлович, как и многие другие «враги народа» до него, рассчитывал оправдаться на суде. Он и представить себе не мог, что приговор подготавливался заранее. 28 сентября, за два дня до суда, члены правительства, среди которых был Иосиф Сталин, утвердили расстрельный список «Москва-центр» на 74 человека, среди которых под № 29 числился и Королев. Однако ракетчику повезло: в последний момент расстрел был заменен на десять лет лишения свободы с пятилетним поражением в правах. Королев оказался в лагерном пункте золотодобывающего прииска Мальдяк на Колыме. Там он провел пять месяцев, которые едва не стали для него последними: конструктор-планерист, мечтавший о ракетных полетах, был направлен на тяжелые землеройные работы, где подорвал здоровье и фактически умирал от цинги. Зиму 1939 года он, скорее всего, не пережил бы, но, к счастью, за него вступились летчики-герои Михаил Громов и Валентина Гризодубова.
В начале 1940 года Королева вернули по этапу в Москву, и до ноября 1942 года он трудился в Особом техническом бюро под руководством знаменитого авиаконструктора Андрея Николаевича Туполева. При этом Королев не забыл своего увлечения ракетами: после перевода в Казань, где на авиамоторном заводе № 16 создавался четырехкамерный двигатель РД-1, Сергей Павлович сразу же предложил поставить его на самолет Пе-2, получив реактивный перехватчик РП. Позднее эта работа принесла конструктору орден «Знак Почета».