Столетов познакомил Циолковского со своим учеником Николаем Жуковским, после чего Циолковский стал заниматься механикой управляемого полёта. Учёный построил на чердаке своего дома примитивную аэродинамическую трубу, на которой производил опыты с деревянными моделями.

Накопленный им материал был положен в основу проекта управляемого аэростата. Так Циолковский назвал дирижабль, поскольку само это слово в то время ещё не придумали. Циолковский не только первым предложил идею цельнометаллического дирижабля, но и построил его работающую модель. При этом учёный создал и оригинальный прибор для автоматического управления полётом дирижабля, а также оригинальную схему регулирования его подъёмной силы.

Однако чиновники из Русского технического общества отвергли проект Циолковского из-за того, что одновременно с ним с аналогичным предложением выступил австрийский изобретатель Шварц. Тем не менее Циолковскому удалось опубликовать описание своего проекта в журнале «Научное обозрение» и таким образом закрепить за собой приоритет на это изобретение.

После дирижабля Циолковский перешёл к исследованию аэродинамики самолёта. Он детально исследовал влияние формы крыла на величину подъёмной силы и вывел соотношение между сопротивлением воздуха и необходимой мощностью двигателя самолёта. Эти работы были использованы Жуковским при создании теории расчёта крыла.

В дальнейшем интересы Циолковского переключились на исследования космического пространства. В 1903 году он опубликовал книгу «Исследования мировых пространств реактивными приборами», где впервые доказал, что единственным аппаратом, способным совершить космический полёт, является ракета. Правда, Циолковскому не хватало математических знаний, и он не смог дать детальные расчёты её конструкции. Однако учёный выдвинул целый ряд важных и интересных идей.

Те первые работы учёного прошли почти незамеченными. Учение о реактивном звездолёте только тогда было замечено, когда начало печататься вторично, в 1911–1912 годах, в известном распространённом и богато издающемся столичном журнале «Вестник воздухоплавания». Тогда многие учёные и инженеры за границей заявили о своём приоритете. Но благодаря ранним работам Циолковского его приоритет был доказан.

В этой статье и последовавших её продолжениях (1911 и 1914 годах) он заложил основы теории ракет и жидкостного ракетного двигателя. Им впервые была решена задача посадки космического аппарата на поверхность планет, лишённых атмосферы.

Открытия учёного долгое время оставались неизвестными большинству специалистов. Его деятельность не встречала необходимой поддержки.

У него была большая семья (семь человек детей) и маленькое жалованье. За все свои труды до октябрьских событий 1917 года получил он 470 рублей от Императорской академии наук. И жизнь была трудной, иногда попросту голодной, и немало было горя в ней и слёз, лишь две дочери пережили отца, горькой чашей испытаний не обнесла его судьба… Он был убеждённый домосед. Больших трудов стоило уговорить его даже на поездку в Москву, когда торжественно отмечали его семидесятипятилетие.

Революция улучшила положение учёного.

«При Советском правительстве, обеспеченный пенсией, я мог свободнее отдаться своим трудам, и, почти незамеченный прежде, я возбудил теперь внимание к своим работам. Мой дирижабль признан особенно надёжным изобретением. Для исследования реактивного движения образовались ГИРДы и институт… Моё семидесятилетие было отмечено прессой. Через пять лет мой юбилей даже торжественно отпраздновали в Москве и Калуге. Я награждён был орденом… и значком активиста от Осоавиахима. Пенсия увеличена…»

В 1926–1929 годы Циолковский решает практический вопрос: сколько же нужно взять топлива в ракету, чтобы получить скорость отрыва и покинуть Землю. Константину Эдуардовичу удалось вывести формулу, которая называется формулой Циолковского.

Выяснилось, что конечная скорость ракеты зависит от скорости вытекающих из неё газов и от того, во сколько раз вес топлива превышает вес пустой ракеты. На практике нужно ещё учитывать притяжение небесных тел и сопротивление воздуха, там, где он есть.

Расчёт показывает: для того чтобы жидкостная ракета с людьми развила скорость отрыва и отправилась в межпланетный полёт, нужно взять топлива в сто раз больше, чем весит корпус ракеты, двигатель, механизмы, приборы и пассажиры, вместе взятые. А это вновь создаёт очень серьёзное препятствие.

Учёный нашёл оригинальный выход — ракетный поезд, многоступенчатый межпланетный корабль. Он состоит из многих ракет, соединённых между собой. В передней ракете, кроме топлива, находятся пассажиры и снаряжение. Ракеты работают поочерёдно, разгоняя весь поезд. Когда топливо в одной ракете выгорит, она сбрасывается, при этом удаляются опустошённые баки и весь поезд становится легче. Затем начинает работать вторая ракета и т. д. Передняя ракета, как по эстафете, получает скорость, набранную всеми предыдущими ракетами.

Любопытно, что, не имея практически никаких приборов, Циолковский рассчитал оптимальную высоту для полёта вокруг Земли — это промежуток от трёхсот до восьмисот километров над Землёй. Именно на этих высотах и происходят современные космические полёты.

Узнав о работах Циолковского, немецкий учёный Герман Оберт написал ему: «Зная Ваши превосходные работы, я обошёлся бы без многих напрасных трудов и сегодня продвинулся бы гораздо дальше».

Космические полёты и дирижаблестроение были главными проблемами, которым он посвятил свою жизнь. Но говорить о Циолковском только как об отце космонавтики — значит обеднить его вклад в современную науку и технику.