从1953年开始，他开始领导研制P-7洲际弹道导弹，1956年又将P-7号导弹改装成准备发射人造地球卫星的运载火箭。1957年8月3日，这枚行程可达7000公里、能够打到美国本土的洲际导弹试飞成功。

齐奥尔科夫斯基可以说是影响了科罗廖夫一生的人物，在一次会面中，他提出了“火箭列车”的设想:“一列火车可以有十节车厢，也可以有十五节车厢，一切就看载客量大小而定。这火箭，是不是也来个‘列车’呢？”

科罗廖夫豁然开朗，此后他不断完善“火箭列车”的设想，最后，发射卫星用的运载火箭由P-7洲际导弹改装，定名为“卫星号”运载火箭。它由中央芯级和四个助推级火箭捆绑而成，共用20台主发动机和12台游动发动机。火箭全长29.167米，最大宽度10.3米，起飞重量267吨，起飞推力达398吨，这是当时世界上最大的运载火箭。1957年10月4日上午火箭发射成功，人类从此进入宇宙航行时代。

不及一个月，为了给载人航天预作试验，苏联又发射了一颗载有名叫“莱依卡”的小狗乘坐的“卫星”2号。

在科罗廖夫几近狂热、顽强地推动下，苏联航天部门在围绕一个目标加速运转，即将人真正送入太空。

为准备首次载人太空飞行，前苏联宇航局从1960年3月开始招募宇航员，这期间训练了至少20名宇航员，但大多数受训人员因种种原因被淘汰，最终只剩下6人，其中包括尤里·加加林。

加加林得以选中的原因是，他驾驶过雅克-18、米格-15、米格-17、米格-21、伊尔-14等机型的飞机，头脑清醒，技术全面，他的各种测验和考试成绩几乎都是优秀。加上他无可争辩的品格:坚定的爱国精神、对飞行成功的坚定信念、随机应变的智能、果断、镇静、谦逊和热忱。

1961年初，尽管“东方号”飞船的总设计师向科罗廖夫指出，运载火箭和宇航飞船的安全指数目前只能达到50%，但科罗廖夫还是决定铤而走险:必须领先美国人数周，进行第7次“东方号”载人飞船发射。

1961年4月12日上午，重约4.73号的“东方号”飞船由火箭送上太空。官方急于表明苏联又将美国甩在了后面，塔斯社奉命向全世界发布了一则消息:“尤里·加加林少校驾驶的飞船在离地球169千米和314千米之间的高度上绕地球运行。飞船的轨道与赤道的夹角是64.95度。飞船飞经世界上大多数有人居住的地区上空。”

其实，返回途中险象环生:先是飞船气密传感器发生故障，接着通信线路一度中断。第三级火箭脱离后，飞船出现急剧旋转。接近大气层时，飞船几度胡乱翻滚，令地面上的科罗廖夫血喷心悬……

因披肝沥胆的劳累，精神上长期的亢奋，以及复杂的人事纠葛，科罗廖夫的心脏病越来越严重了。1966年1月，因心脏病突然发作去世。

美苏之间的太空竞争

通常认为，美苏两国对于月球的竞争，始于1961年加加林飞入太空之后。其实，在首次发射地球卫星后，他们都把目光转向了月球。

1958年到1976年间，苏联科学家完成了绕月卫星、登月车的试制、试运行，发射了无人飞船环绕月球飞行，实现了无人月球探测器在月球表面的登陆和漫游。其中，1966年至1969年，“联盟”号飞船和“宇宙”号卫星在地球轨道上完成了登月飞行器的测试工作；1965年9月，首次实现无人飞船绕月球飞行并成功返回地球；1970年至1973年，研制成功了由地面遥控的无人月球探测器，三部无人月球探测器不仅拍回了大量月球背面的照片，还从月球表面采集了土样，并将它们运回了地球。

在冷战期间美苏两国的太空竞赛中，苏联人一度占尽了风流，总是与一连串的“第一次”联系在一起:第一次成功发射人造地球卫星，第一次拍摄到月球背面的照片，第一次载人太空飞行，第一次太空漫步，第一名女宇航员上天……

苏联人力求再创造一个“第一次”，即率先实现载人登月。可谓是“万事俱备，只欠东风”了。

苏联为登月计划而设计的火箭名为N1号，共制造了十枚。设计这种“巨无霸”式的N1号火箭的最初目的，是将代号为“苏联月亮”的人造卫星送入太空。但是，从空气动力学角度来看，一枚火箭由数十台使用煤油和液氧作燃料的大型发动机组成，存在着致命的缺陷，极易出现事故。结果，这种满载着苏联人太多期望的“巨无霸”，在拜科努尔航天发射中心总共试射了四次，每次都以悲剧和灾难收场……

美国人最初也出师不利。在冯·布劳恩的主持下，1958年8月，美国第一次用“尤诺号”运载火箭，发射了“开拓者”月球探测器，同年10月、11月，又两次发射月球探测器，均以失败告终。次年3月，发射的运载火箭终于摆脱了地球的引力，却有着6000公里的误差，仍没能把探测器送上月球……

但在科罗廖夫逝世的1966年，冯·布劳恩只有五十四岁，他还活得很健康，而且踌躇满志，他相信失去科罗廖夫的苏联，已是泥足巨人，用不了几年，太空和月球上，将会更多地响起山姆大叔的声音……

但隐没在这场白热化争斗后面的两个人——冯·布劳恩与科罗廖夫，直到冷战结束后的许多年过去，才由英国BBC电台一部名为《太空竞赛》的纪录片披露出来。