Né le 17 de 1857 de septembre dans le village d'Izhevskoye, cinquième des frères 18, Tsiolkovsky était le fils d'un immigrant polonais. À 10, il a été assourdissant à cause de l'écarlate et 14 a dû quitter l'école. Il a continué ses études à la maison, et de 1873 à 1876 il a vécu à Moscou où il a étudié les mathématiques, la chimie, l'astronomie et la mécanique.
Déjà à 17 ans, il a commencé à imaginer la possibilité de voler dans l'espace, et inspiré par les romans de Jules Verne, il a commencé à réfléchir à la façon de concevoir un vaisseau spatial. Non seulement il a proposé d'explorer l'Univers, mais aussi d'établir des colonies. Après avoir obtenu son diplôme, il a enseigné à Kaluga et a commencé à écrire des histoires de science-fiction, introduisant des éléments de science et de technologie. De la science-fiction, il est passé à des études sur les principes d'action et de réaction et le propulseur des fusées.
En 1894, il a conçu un monoplan et en 1897, il a construit la première soufflerie en Russie. Il a écrit plusieurs livres sur l'exploration spatiale et a été le premier à utiliser les mathématiques et la physique pour étudier et modéliser le fonctionnement des fusées spatiales.
Il a théorisé de nombreux aspects du vol spatial et de la propulsion des fusées. Il est considéré comme le père des vols spatiaux humains et le premier homme à concevoir l'ascenseur spatial. Son travail le plus célèbre est "L'exploration de l'espace cosmique au moyen de moteurs à réaction", qu'il publie en 1903 et qui est considéré comme le premier traité académique sur les fusées. Ses travaux ont jeté les bases du futur programme spatial soviétique et ont ensuite influencé les scientifiques des fusées à travers l'Europe.Ils ont également été étudiés par les Américains dans les années 1950 et 1960 alors qu'ils tentaient de comprendre les premiers succès de l'Union soviétique dans les vols spatiaux.
En 1903, il a publié la formule de Tsiolkovsky, qui est toujours à la base de l'ingénierie des engins spatiaux d'aujourd'hui. Sa théorie des fusées à plusieurs étages a été publiée en 1929. On se souvient également de Tsiolkovsky pour ses idées sur l'industrialisation de l'espace et l'exploitation de ses ressources.
Depuis sa mort le 19 septembre 1935, il est célébré et honoré. Un cratère de la Lune porte son nom et, en 1989, il rejoint l'International Aerospace Hall of Fame. Le musée de l'histoire de la cosmonautique porte son nom à Kaluga.