17 kardeşlerin beşinci olan Izhevskoye köyünde 1857'ın Eylül 18'ında doğan Tsiolkovsky, Polonya göçmeninin oğluydu. 10'de kırmızı saç saklaması nedeniyle sağır oldu ve 14 okulu terk etmek zorunda kaldı. Eğitimini evde sürdürdü ve 1873'dan 1876'e kadar Moskova'da yaşadığı yerde matematik, kimya, astronomi ve mekaniği okudu.
Daha 17 yaşında uzaya uçma olasılığını hayal etmeye başladı ve Jules Verne'in romanlarından esinlenerek bir uzay aracını nasıl tasarlayacağını düşünmeye başladı. Sadece Evreni keşfetmeyi değil, aynı zamanda koloniler kurmayı da teklif etti. Mezun olduktan sonra Kaluga'da öğretmenlik yaptı ve bilim ve teknoloji unsurlarını tanıtarak bilim kurgu hikayeleri yazmaya başladı. Bilim kurgudan, etki ve tepki ilkeleri ve roketlerin itici gücü üzerine çalışmalara geçti.
1894'te bir tek kanatlı uçak tasarladı ve 1897'de Rusya'daki ilk rüzgar tünelini inşa etti. Uzay araştırmaları üzerine birkaç kitap yazdı ve uzay roketlerinin işleyişini incelemek ve modellemek için matematiği ve fiziği kullanan ilk kişi oldu.
Uzay uçuşu ve roket itişinin birçok yönünü teorize etti. İnsan uzay uçuşunun babası ve uzay asansörünü tasarlayan ilk kişi olarak kabul edilir. En ünlü eseri, 1903 yılında yayınladığı ve roketçilik üzerine ilk akademik araştırma olarak kabul edilen "Jet motorları ile kozmik uzayın keşfi" idi. Çalışmaları gelecekteki Sovyet uzay programının temelini attı ve daha sonra Avrupa'daki roket bilimcilerini etkiledi ve ayrıca 1950'lerde ve 1960'larda Sovyetler Birliği'nin uzay uçuşundaki erken başarılarını anlamaya çalışırken Amerikalılar tarafından incelendi.
1903'te, hala günümüz uzay aracı mühendisliğinin temeli olan Tsiolkovsky'nin formülünü yayınladı. Çok aşamalı roket teorisi 1929'da yayınlandı. Tsiolkovsky, uzayın sanayileşmesi ve kaynaklarının sömürülmesi konusundaki fikirleriyle de hatırlanıyor.
19 Eylül 1935'teki ölümünden bu yana kutlandı ve onurlandırıldı. Ay'ın bir krateri adını taşıyor ve 1989'da Uluslararası Havacılık ve Uzay Şeref Salonuna katıldı. Kozmonotik tarihinin müzesi onun adını Kaluga'da almıştır.