Nascido em setembro 17 de 1857 na vila de Izhevskoye, quinto dos irmãos 18, Tsiolkovsky era filho de um imigrante polonês. No 10 ele ficou ensurdecedor por causa do escarlate e 14 foi forçado a deixar a escola. Ele continuou sua educação em casa, e de 1873 para 1876 ele morava em Moscou, onde estudava matemática, química, astronomia e mecânica.
Já aos 17 anos começou a imaginar a possibilidade de voar para o espaço e, inspirado nos romances de Júlio Verne, começou a pensar em como projetar uma nave espacial. Ele não se propôs apenas a explorar o Universo, mas também a estabelecer colônias. Depois de se formar, ele ensinou em Kaluga e começou a escrever histórias de ficção científica, introduzindo elementos de ciência e tecnologia. Da ficção científica, ele passou a estudar os princípios de ação e reação e o propulsor dos foguetes.
Em 1894 ele projetou um monoplano e em 1897 ele construiu o primeiro túnel de vento na Rússia. Ele escreveu vários livros sobre exploração espacial e foi o primeiro a usar matemática e física para estudar e modelar o funcionamento de foguetes espaciais.
Ele teorizou muitos aspectos do voo espacial e da propulsão de foguetes. Ele é considerado o pai do voo espacial humano e o primeiro homem a conceber o elevador espacial. Seu trabalho mais famoso foi "A exploração do espaço sideral por meio de motores a jato", que publicou em 1903 e que é considerado o primeiro tratado acadêmico sobre foguetes. Seu trabalho lançou as bases para o futuro programa espacial soviético e mais tarde influenciou os cientistas de foguetes em toda a Europa, e também foi estudado por americanos nas décadas de 1950 e 1960, enquanto tentavam entender os primeiros sucessos da União Soviética em voos espaciais.
Em 1903, ele publicou a fórmula de Tsiolkovsky, que ainda é a base da engenharia de naves espaciais de hoje. Sua teoria dos foguetes de vários estágios foi publicada em 1929. Tsiolkovsky também é lembrado por suas idéias sobre a industrialização do espaço e a exploração de seus recursos.
Desde sua morte em 19 de setembro de 1935, ele tem sido celebrado e homenageado. Uma cratera da Lua leva seu nome e, em 1989, ele se juntou ao International Aerospace Hall of Fame. O museu da história da cosmonáutica leva o seu nome em Kaluga.