По причине болезни он в детстве почти полностью лишился слуха, но тяга к знаниям позволила ему сначала самостоятельно изучить многие научные дисциплины, а затем в 1879 году экстерном сдать экзамены на звание учителя. В 1880 он уже был назначен учителем арифметики и геометрии в Воровское уездное училище Калужской губернии.

При этом Циолковский проводит первые научные исследования, благодаря чему его принимают в Русское физико-химическое общество. Его основные научные работы после этого были связаны с научным обоснованием цельнометаллического аэростата , обтекаемого аэроплана, поезда на воздушной подушке и ракеты для межпланетных путешествий. Учёный систематически занимался теорией движения реактивных аппаратов и предложил ряд схем ракет дальнего действия и ракет для межпланетных путешествий. После Октябрьской революции он много и плодотворно работал над созданием теории полёта реактивных самолётов, изобрёл свою схему газотурбинного двигателя. В 1927 году Циолковский опубликовал теорию и схему поезда на воздушной подушке, а в 1932 году он разработал теорию полёта реактивных самолётов в стратосфере и схемы устройства самолётов для полёта с гиперзвуковыми скоростями.

Учёный стал одним из пионеров космонавтики. Он обосновал вывод уравнения реактивного движения, пришёл к выводу о необходимости использования «ракетных поездов» — прототипов многоступенчатых ракет.

Являясь автором многочисленных работ по аэродинамике, воздухоплаванию и другим наукам, им получены важнейшие научные результаты в теории движения ракет (ракетодинамике), обосновав реальную возможность их применения для межпланетных сообщений и заложив сами основы теории ракет и жидкостного ракетного двигателя .

Учёный впервые решил задачу посадки космического аппарата на поверхность планет, лишённых атмосферы и задачу о движении ракеты в неоднородном поле тяготения, а также вычислил необходимые запасы топлива для преодоления сил сопротивления воздушной оболочки Земли.

Циолковский стал основоположником теории межпланетных сообщений, показалав возможность достижения космических скоростей и доказав осуществимость межпланетных полётов. Изучив первым вопрос о ракете — искусственном спутнике Земли он впервые высказал идею создания околоземных станций как искусственных поселений, использующих энергию Солнца и промежуточных баз для межпланетных сообщений.

Кроме этого учёный выдвинул ряд идей, нашедших впоследствии применение в ракетостроении и стал первым идеологом и теоретиком освоения человеком космического пространства, конечная цель которого представлялась ему в виде полной перестройки биохимической природы порожденных Землёй мыслящих существ.