Korolev ditugaskan menjadi Tentera Merah dengan pangkat kolonel pada tahun 1945; hiasan pertamanya adalah Badge of Honor, yang dianugerahkan pada tahun 1945 untuk karyanya pada pengembangan motor roket untuk pesawat tentera. Pada 8 September 1945, Korolev dibawa ke Jerman bersama dengan banyak pakar lain untuk memulihkan teknologi roket V-2 Jerman. Soviet meletakkan keutamaan untuk menghasilkan semula dokumentasi yang hilang pada V-2, dan mempelajari pelbagai bahagian dan kemudahan pembuatan yang ditangkap. Pekerjaan itu berlanjutan di Jerman Timur hingga akhir 1946, ketika 2.000+ saintis dan jurutera Jerman dihantar ke Rusia melalui Operasi Osoaviakhim. Sebilangan besar pakar Jerman, Helmut Gröttrup menjadi pengecualian, adalah jurutera dan juruteknik yang terlibat dalam pengeluaran besar-besaran V-2, dan mereka tidak bekerja secara langsung dengan Wernher von Braun. Banyak saintis roket Jerman terkemuka, termasuk Dr. von Braun sendiri, menyerah kepada orang Amerika dan diangkut ke Amerika Syarikat sebagai sebahagian daripada Operasi Paperclip.

Stalin menjadikan pembangunan roket dan peluru berpandu sebagai keutamaan nasional setelah menandatangani keputusan pada 13 Mei 1946, dan sebuah institusi NII-88 baru dibuat untuk tujuan itu di pinggir bandar Moscow. Pasukan Korolev mengawasi 170+ pakar Jerman - termasuk Helmut Gröttrup dan Fritz Karl Preikschat - di Cabang 1 NII-88 di Pulau Gorodomlya di Tasik Seliger sekitar 200 kilometer (120 mi) dari Moscow. Kemudahan mereka dikelilingi oleh kawat berduri dan pengawal bersenjata dengan anjing pengawas, walaupun Boris Chertok, ketua pereka sistem panduan dan sistem kawalan, mencatat dalam bukunya, Rockets and People:

Semua struktur di pulau Gorodomlya telah diubahsuai dan keadaan hidup cukup baik pada masa itu. Sekurang-kurangnya pakar berkahwin menerima pangsapuri dua atau tiga bilik yang berasingan. Mengunjungi pulau itu, saya hanya dapat mencemburui mereka, kerana saya dan keluarga tinggal di Moscow di sebuah pangsapuri empat bilik bersama, di mana kami mempunyai dua bilik seluas 24 meter persegi (260 kaki persegi). Kebanyakan pakar dan pekerja kami tinggal di barak tanpa keperluan asas. Inilah sebabnya mengapa kehidupan di pulau di belakang kawat berduri sama sekali tidak dapat dibandingkan dengan keadaan tawanan perang.

Pembangunan peluru berpandu balistik diletakkan di bawah kawalan ketenteraan Dmitriy Ustinov melalui keputusan yang ditandatangani oleh Stalin, dan Ustinov melantik Korolev sebagai ketua perancang peluru berpandu jarak jauh di Biro Reka Bentuk Khas 1 (OKB-1) NII-88. Korolev menunjukkan kemampuan organisasinya dalam kemudahan baru ini dengan memastikan organisasi yang tidak berfungsi dan sangat berpartisipasi.

Dengan cetak biru yang dihasilkan dari roket V-2 yang dibongkar, pasukan mula menghasilkan replika roket yang berfungsi. Ini ditetapkan sebagai R-1, dan pertama kali diuji pada Oktober 1947. Sebanyak sebelas dilancarkan dengan lima mencapai sasaran. Ini serupa dengan nisbah hit Jerman, dan menunjukkan ketidakpercayaan V-2. Pada tahun 1947, kumpulan Korolev mula mengerjakan reka bentuk yang lebih maju, dengan peningkatan dalam jarak dan berat badan. R-2 menggandakan jangkauan V-2, dan merupakan reka bentuk pertama yang menggunakan hulu ledak yang terpisah. Ini diikuti oleh R-3, yang memiliki jarak 3.000 kilometer (1.900 mil), dan dengan demikian dapat menargetkan Inggris. Soviet terus memanfaatkan kepakaran orang Jerman mengenai teknologi V-2 untuk beberapa waktu; tetapi, untuk menjaga kerahsiaan seputar program peluru berpandu balistik, Gröttrup dan pasukannya tidak memiliki akses ke pekerjaan rahsia rakan-rakan Rusia mereka mengenai teknologi roket baru termasuk kemudahan pengeluaran dan ujian. Ini memberi kesan negatif terhadap semangat pasukan Jerman dan mengehadkan sumbangan teknikal mereka. Kementerian Pertahanan memutuskan untuk membubarkan pasukan Jerman pada tahun 1950 dan menghantar pulang jurutera Jerman dan keluarga mereka antara Disember]] 1951 dan November 1953.

Glushko tidak dapat memperoleh daya tuju yang diperlukan dari enjin R-3, jadi projek itu dibatalkan pada tahun 1952; dan Korolev bergabung dengan Parti Komunis Soviet pada tahun itu untuk meminta wang dari pemerintah untuk projek masa depan termasuk R-5, dengan jarak 1,200 kilometer (750 mi) yang lebih sederhana. Ia melengkapkan penerbangan pertama yang berjaya pada tahun 1953. Peluru berpandu balistik antara benua (ICBM) pertama di dunia adalah R-7 Semyorka. Ini adalah roket dua tahap dengan muatan maksimum 5.4 tan, cukup untuk membawa bom nuklear Soviet dengan jarak 7000 kilometer yang mengagumkan (4.300 mi). Setelah beberapa ujian gagal, R-7 berjaya dilancarkan pada 21 Ogos 1957, menghantar muatan palsu ke Semenanjung Kamchatka. Kerana kejayaan Korolev dengan R-7 dan kerana Kesatuan Soviet telah berjaya mewujudkan ICBM sebelum Amerika Syarikat, dia dikenali secara nasional oleh Kesatuan Soviet, walaupun namanya dirahsiakan. Namun, di sebalik kejayaan awal Soviet R-7, ia mengalami kegagalan kemudian kerana ia tidak dimaksudkan untuk menjadi senjata praktikal. Pada 19 April 1957 Korolev dinyatakan sepenuhnya "dipulihkan", kerana pemerintah mengakui bahawa hukumannya tidak adil.