Geboren am September 17 von 1857 im Dorf Izhevskoye, Fünftel der 18 Brüder, war Tsiolkowski der Sohn eines polnischen Einwanderers. Bei 10 wurde er wegen Scharlach betäubt und 14 war gezwungen, die Schule zu verlassen. Er setzte seine Ausbildung zu Hause fort, und von 1873 bis 1876 lebte er in Moskau, wo er Mathematik, Chemie, Astronomie und Mechanik studierte.
Bereits mit 17 Jahren begann er sich die Möglichkeit des Fliegens im Weltraum vorzustellen. Inspiriert von den Romanen von Jules Verne begann er darüber nachzudenken, wie man ein Raumschiff entwirft. Er schlug nicht nur vor, das Universum zu erkunden, sondern auch Kolonien zu gründen. Nach seinem Abschluss unterrichtete er in Kaluga und begann, Science-Fiction-Geschichten zu schreiben, in denen er Elemente aus Wissenschaft und Technologie vorstellte. Von der Science-Fiction ging er zu Studien über die Prinzipien von Aktion und Reaktion und den Treibstoff von Raketen über.
1894 entwarf er ein Eindecker und 1897 baute er den ersten Windkanal in Russland. Er schrieb mehrere Bücher über Weltraumforschung und war der erste, der Mathematik und Physik einsetzte, um die Funktionsweise von Weltraumraketen zu untersuchen und zu modellieren.
Er theoretisierte viele Aspekte der Raumfahrt und des Raketenantriebs. Er gilt als Vater der menschlichen Raumfahrt und als erster Mann, der den Weltraumaufzug konzipiert hat. Sein berühmtestes Werk war "Die Erforschung des kosmischen Raums mit Düsentriebwerken", das er 1903 veröffentlichte und das als erste akademische Abhandlung über Raketentechnik gilt. Seine Arbeit legte den Grundstein für das zukünftige sowjetische Weltraumprogramm und beeinflusste später Raketenwissenschaftler in ganz Europa. In den 1950er und 1960er Jahren wurde sie auch von Amerikanern untersucht, um die frühen Erfolge der Sowjetunion in der Raumfahrt zu verstehen.
1903 veröffentlichte er Tsiolkovskys Formel, die bis heute die Grundlage der heutigen Raumfahrzeugtechnik ist. Seine Theorie der mehrstufigen Raketen wurde 1929 veröffentlicht. Tsiolkovsky ist auch für seine Ideen zur Industrialisierung des Weltraums und zur Ausbeutung seiner Ressourcen bekannt.
Seit seinem Tod am 19. September 1935 wurde er gefeiert und geehrt. Ein Mondkrater trägt seinen Namen und 1989 trat er der International Aerospace Hall of Fame bei. Das Museum für Kosmmonautikgeschichte ist in Kaluga nach ihm benannt.