Korolev ditangkap oleh NKVD pada 27 Jun 1938 setelah dituduh sengaja memperlahankan kerja institusi penyelidikan oleh Ivan Kleymenov, Georgy Langemak, pemimpin institut yang dihukum mati pada bulan Januari, dan Valentin Glushko, yang ditangkap di Mac. Dia diseksa di penjara Lubyanka untuk mengambil pengakuan semasa Great Purge, dan diadili dan dijatuhi hukuman mati ketika pembersihan semakin lemah; Glushko dan Korolev selamat. Glushko dan Korolev dilaporkan telah dikecam oleh Andrei Kostikov, yang menjadi ketua RNII setelah kepemimpinannya ditangkap. Program roket ketinggalan jauh dari kemajuan pesat yang berlaku di Nazi Jerman. Kostikov digulingkan beberapa tahun kemudian kerana tuduhan penyelewengan anggaran.

Korolev dikirim ke penjara, di mana dia menulis banyak rayuan kepada pihak berwajib, termasuk Stalin sendiri. Berikutan kejatuhan ketua NKVD Nikolai Yezhov, ketua baru Lavrenti Beria memilih untuk mencuba semula Korolev dengan tuduhan yang dikurangkan pada tahun 1939; tetapi pada masa itu Korolev dalam perjalanan dari penjara ke sebuah kem Gulag di timur jauh Siberia, di mana dia menghabiskan beberapa bulan di sebuah lombong emas di daerah Kolyma sebelum diberitahu mengenai percubaannya. Keadaan tempat kerja, makanan, tempat tinggal dan pakaian yang tidak mencukupi membunuh ribuan tahanan setiap bulan. Korolev mengalami kecederaan dan kehilangan sebahagian besar giginya akibat penyakit kudis sebelum kembali ke Moscow pada akhir 1939. Ketika sampai di Moscow, hukuman Korolev dikurangkan menjadi lapan tahun untuk dijatuhkan di penjara sharashka untuk intelektual dan orang berpendidikan. Ini adalah kem buruh di mana saintis dan jurutera mengerjakan projek yang ditugaskan oleh kepemimpinan parti Komunis. Pusat Reka Bentuk Pusat 29 (CKB-29, ЦКБ-29) NKVD, berfungsi sebagai kemudahan kejuruteraan Tupolev, dan Korolev dibawa ke sini untuk bekerja untuk mentor lamanya. Semasa Perang Dunia II, sharashka ini merancang pengebom Tupolev Tu-2 dan pengebom selam Petlyakov Pe-2. Kumpulan itu dipindahkan beberapa kali semasa perang, kali pertama untuk mengelakkan penangkapan dengan memajukan pasukan Jerman. Korolev dipindahkan pada tahun 1942 ke sharashka Kazan OKB-16 di bawah Glushko. Korolev dan Glushko merancang roket pelepas berbantu roket untuk pesawat dan motor roket tambahan RD-1 kHz yang diuji dalam Lavochkin La-7R pendakian pantas yang tidak berjaya. Korolev diasingkan dari keluarganya hingga 27 Jun 1944 ketika dia - bersama dengan Tupolev, Glushko dan yang lain - akhirnya dibebaskan dengan keputusan pemerintah khas, walaupun tuduhan terhadapnya tidak dijatuhkan sehingga 1957.

Korolev jarang bercakap mengenai pengalamannya di Gulag. Dia hidup dalam ketakutan yang berterusan untuk dibunuh kerana rahsia ketenteraan yang dimilikinya, dan sangat terpengaruh oleh waktunya di kem, menjadi terpelihara dan berhati-hati. Dia kemudian mengetahui bahawa Glushko adalah salah satu penuduh dan ini mungkin menjadi penyebab permusuhan seumur hidup antara kedua lelaki itu. Biro reka bentuk diserahkan dari kawalan NKVD kepada suruhanjaya industri penerbangan pemerintah. Korolev terus bekerja dengan biro selama satu tahun lagi, bertugas sebagai timbalan pereka di bawah Glushko dan mempelajari pelbagai reka bentuk roket.