27 июня 1938 года в квартиру четы Королёвых пришли с непрошенным визитом двое сотрудников НКВД. Проведя обыск, забрав документы и некоторые ценные вещи, люди в погонах увезли Сергея Павловича на Лубянку.
Уже утром следующего дня состоялся первый допрос. Когда Королёв стал говорить о незнании причины своего ареста, к нему применили грубую физическую силу и даже пришлось вмешиваться медикам. Так Сергея Павловича прессовали достаточно долго.
Спустя годы стало известно, что сутью обвинения было якобы вхождение Королёва в троцкистскую группу, имевшее место в 1935 году. Также ему вменялся саботаж в разработке и передаче в пользу армии новых образцов разного вооружения. В итоге приговор обернулся для Сергея Павловича 10 годами тюрьмы с конфискацией имущества и временным лишением политических прав.
Проведя 8 месяцев в застенках Новочеркасской тюрьмы, 1 июня 1939 года Сергей Королёв, которого к тому неспокойному времени исполнился уже 31 год, отправился на Дальний Восток. Там он оказался в пересыльном пункте, через который с интервалом в годы прошли многие известные люди.
Дальше Сергей Павлович поплыл на Колыму - в Магадан, а затем на занятом добычей золота прииск Мальдяка. Там будущему конструктору удалось выжить лишь чудом. Во многом этому способствовал обвиняемый в гибели Григория Чкалова бывший глава Московского авиационного завода Михаил Усачёв. По его настоянию больного, худого и измождённого Королёва перевели в изолятор и обеспечили ему там дополнительное целебное питание.
За освобождение Сергея хлопотали многие. И в ноябре 1939 его отправили в Москву. Услышав соответствующую новость, мужчина впервые в своей жизни заплакал. Приехать в столицу ему удалось только в конце февраля 1940 года. Его привезли на Лубянку и дали второй приговор на 8 лет. Отбывать наказание Королёв должен был в московской спецтюрьме, где руководил бывший наставник Сергея Андрей Туполев. В плане комфорта условия содержания были несравнимо лучше магаданских.
Одним из виновников всех злоключений Сергея Королёва был Андрей Костиков. Они вместе трудились в группе реактивного движения, но имели разные взгляды на жизнь. Именно подобие доноса от него и сломало жизнь конструктора с семьёй. В итоге Сергей Павлович своего обидчика так и не простил.