Позднее Королев, избранный в 1958 г. действительным членом Академии наук СССР, говорил: «Он был мал, этот самый первый искусственный спутник нашей старой планеты, но его звонкие позывные разнеслись по всем материкам и среди всех народов как воплощение дерзновенной мечты человечества». Когда о первом запуске стало известно президенту США Эйзенхауэру, он воскликнул: «Если бы в России свершилась еще одна Октябрьская революция, я еще поверил бы, но в то, что русские запустили спутник, — никогда». Но самую глубокую оценку событию, по мнению Королева, дал Ф. Жолио-Кюри: «Это великая победа человека, которая является поворотным пунктом в истории цивилизации. Человек больше не прикован к своей планете…» Впоследствии «Р-7» была модифицирована и превращена в трехступенчатый носитель для вывода «лунников» и корабля с человеком на борту. Это была блестящая победа Королева и его сотрудников.
В дальнейшем гениальный ученый разработал более совершенную компактную двухступенчатую межконтинентальную ракету «Р-9», которая была принята на вооружение в 1962 г. Позже, параллельно с работами над важными космическими системами, Сергей Павлович начал первым в СССР разрабатывать твердотопливную межконтинентальную ракету «РТ-2», которая была освоена военными уже после его смерти.
Все время, занимаясь боевыми баллистическими ракетами, Сергей Павлович мечтал о покорении космического пространства человеком. Поэтому он еще в 1949 г. начал регулярные эксперименты по изучению параметров ближнего космического пространства, солнечных и галактических излучений, магнитного поля Земли, поведению высокоразвитых животных в космических условиях (невесомости, перегрузок, больших вибраций и акустических нагрузок), а также отработки средств жизнеобеспечения и возвращения животных на Землю из космоса. С этой целью было произведено около 70 специальных пусков ракет. Этим Сергей Павлович заблаговременно заложил серьезные основы для штурма космоса человеком.
12 апреля 1961 г. люди Земли узнали о том, что в Советском Союзе осуществлен первый запуск ракеты с человеком на борту. Весь мир с восторгом произносил по-русски ставшие сразу знаменитыми слова: «Гагарин», «Восток», «космос». В редакционной статье «Нью-Йорк таймс» писала, что полет пилотируемого корабля-спутника — «величайший подвиг в истории извечного стремления человека покорить силы природы…»
Только в последнее время становятся известны подробности того исторического полета Ю. А. Гагарина, техническим руководителем которого был Королев. По свидетельству одного из военных, Гагарин проявил в космосе незаурядное мужество: «После выключения тормозного двигателя разделение приборного отсека и спускаемого аппарата должно было произойти через десять секунд. А оно произошло через десять минут. К тому же корабль беспорядочно вращался. И он, не зная, чем все кончится, четко докладывал на Землю: что видит, что чувствует, с какой скоростью вращается корабль». При жизни Королева на его космических кораблях в космосе побывало еще десять советских космонавтов, а 18 марта 1965 г. А. А. Леонов осуществил выход в открытый космос.
Продолжая развивать программу пилотируемых околоземных полетов, Королев приступил к реализации своих идей о разработке долговременной орбитальной станции. Ее прообразом стал принципиально новый, более совершенный, чем предыдущие, космический корабль «Союз». В состав этого корабля входил бытовой отсек, где космонавты могли бы долгое время находиться без скафандров и проводить научные исследования. В ходе полета предусматривались также автоматическая стыковка на орбите двух кораблей «Союз» и переход космонавтов из одного корабля в другой через открытый космос. К сожалению, Сергей Павлович не дожил до первого старта «Союза», в котором реально воплотились его гениальные идеи.
Для реализации программы пилотируемых полетов и запусков автоматических космических станций Королев разработал на базе боевой ракеты семейство совершенных трехступенчатых и четырехступенчатых носителей. Таким образом, его вклад в развитие отечественной и мировой пилотируемой космонавтики является решающим.
Параллельно с бурным развитием пилотируемой космонавтики велись работы над спутниками научного, народнохозяйственного и оборонного назначения. В 1958 г. были разработаны и выведены в космос геофизический спутник, а затем и парные спутники «Электрон» для исследования радиационных поясов Земли. В следующем году были созданы и запущены к Луне три автоматических космических аппарата. Первый и второй должны были доставить на Луну вымпелы Советского Союза, третий — сфотографировать ее обратную (невидимую) сторону. В дальнейшем Королев приступил к разработке более совершенного лунного аппарата для его мягкой посадки на поверхность Луны, фотографирования и передачи на Землю лунной панорамы.