Королёв был арестован 27 июня 1938 года по обвинению во вредительстве, после ареста Ивана Терентьевича Клеймёнова и других работников Реактивного института. Он был подвергнут пыткам; по некоторым данным, во время пыток ему сломали обе челюсти. Автором этой версии является журналист Я. Голованов. Однако в своей книге[4] он подчеркивает, что это только версия:
Королёв был осуждён Военной Коллегией Верховного Суда СССР 27 сентября 1938 года, обвинение: ст. 58-7, 11. Приговор: 10 лет ИТЛ, 5 лет поражения в правах. 10.06.1940 года срок сокращён до 8 лет ИТЛ (Севжелдорлаг), освобождён в 1944 году. Полностью реабилитирован 18 апреля 1957 года[8][9].
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[9].
Первая фотография после ареста. Бутырская тюрьма, 28 июня 1938 года
В Москву прибыл 2 марта 1940 года, где спустя четыре месяца был судим вторично Особым совещанием, приговорён к 8 годам заключения и направлен 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.
Это послужило причиной для перевода С. П. Королёва в 1942 году в другое КБ тюремного типа — ОКБ-16 при Казанском авиазаводе № 16
