Арестован 27 июня 1938 года. Приговорён Военной Коллегией Верховного Суда СССР 27 сентября 1938 г., обвинение: ст. 58-7, 11. Приговор: 10 лет ИТЛ, 5 лет поражения в правах. 10.06.1940 г. срок сокращён до 8 лет ИТЛ, освобождён в 1944 г. Полностью реабилитирован 18 апреля 1957 г.
Год провёл в Бутырской тюрьме. На допросах подвергался жестоким пыткам и избиениям в результате которых Королёву сломали челюсти (также получил сотрясение мозга). 21 апреля 1939 года попал на Колыму, где находился на золотом прииске Мальдяк Западного горнопромышленного управления и был занят на так называемых «общих работах». 23 декабря 1939 года направлен в распоряжение Владлага[4]. В Москву прибыл 2 марта 1940 года, где спустя четыре месяца был судим вторично и направлен на новое место заключения — в московскую спецтюрьму НКВД ЦКБ-29, где под руководством А. Н. Туполева, также заключённого, принимал активное участие в создании бомбардировщиков Пе-2 и Ту-2 и одновременно инициативно разрабатывал проекты управляемой аэроторпеды и нового варианта ракетного перехватчика.
