Urodzony 17 września 1857 r. we wsi Iżewskoje, jako piąte z 18 rodzeństwa, Ciołkowski był synem polskiego imigranta. W wieku 10 lat był głuchy na szkarlatynę i został zmuszony do porzucenia szkoły w wieku 14 lat. Naukę kontynuował w domu, a od 1873 do 1876 przebywał w Moskwie, gdzie studiował matematykę, chemię, astronomię i mechanikę.
Już w wieku 17 lat zaczął wyobrażać sobie możliwość lotu w kosmos, a zainspirowany powieściami Juliusza Verne'a zaczął myśleć o tym, jak zaprojektować pojazd kosmiczny. Zaproponował nie tylko eksplorację Wszechświata, ale także zakładanie kolonii. Po studiach uczył w Kałudze i zaczął pisać opowiadania science fiction, wprowadzając elementy nauki i techniki. Od science fiction przeszedł do studiów nad zasadami akcji i reakcji oraz paliwem rakietowym.
W 1894 roku zaprojektował jednopłat, aw 1897 zbudował pierwszy tunel aerodynamiczny w Rosji. Napisał kilka książek o eksploracji kosmosu i jako pierwszy wykorzystał matematykę i fizykę do badania i modelowania funkcjonowania rakiet kosmicznych.
Teoretyzował wiele aspektów lotów kosmicznych i napędu rakietowego. Uważany jest za ojca lotów kosmicznych i pierwszego człowieka, który wymyślił windę kosmiczną. Jego najbardziej znanym dziełem była „Eksploracja kosmosu za pomocą silników odrzutowych”, którą opublikował w 1903 roku i która jest uważana za pierwszy traktat naukowy o rakietach. Jego praca położyła podwaliny pod przyszły radziecki program kosmiczny, a później wywarła wpływ na naukowców zajmujących się rakietami w całej Europie, a także była badana przez Amerykanów w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku, gdy próbowali zrozumieć wczesne sukcesy Związku Radzieckiego w lotach kosmicznych.
W 1903 roku opublikował formułę Ciołkowskiego, która do dziś stanowi podstawę dzisiejszej inżynierii statków kosmicznych. Jego teoria rakiet wielostopniowych została opublikowana w 1929 roku. Ciołkowski jest również pamiętany ze swoich pomysłów na uprzemysłowienie kosmosu i eksploatację jego zasobów.
Od śmierci 19 września 1935 roku był czczony i czczony. Jego imieniem nazwano krater na Księżycu, aw 1989 roku został wprowadzony do International Aerospace Hall of Fame. Jego imieniem nazwano muzeum historii kosmonautyki w Kałudze.