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他出生于莫斯科南部的梁赞州一个中产阶级家庭，他的父亲是波兰人，母亲是俄罗斯人，由于他幼年得过猩红热，听力不好，所以不能升学，在家中学习直到16岁，他在自学期间，每天去莫斯科图书馆读书，后来参加中学教师资格的考试，人们对他的数学才能惊叹不已，他笑着说：“书籍是我的老师！”[1]
后来他成为一位中学数学教员，直到1920年退休。齐奥尔科夫斯基研究了宇宙航行和火箭推动力的许多方面理论，所以被认为是人类宇宙航行之父。1895年，他访问巴黎，受到新建成的艾菲尔铁塔启发，他是第一位提出天梯理论的人。他最著名的作品是1903年出版的《利用反作用力设施探索宇宙空间》，是第一部从理论上论证火箭作用的论文。齐奥尔科夫斯基计算了进入地球轨道的逃逸速度是8千米/秒，利用液氧和液氢做燃料的多级火箭可以达到这个速度。齐奥尔科夫斯基一生出版了500多部关于宇宙航行的著作，包括一些科幻作品。他还设计了火箭控制方位的推进器，多级启动器，空间站和密封仓，以及提供氧气和食品的密封生态循环系统。但遗憾的是他的理论并没有能够在旧俄罗斯变为现实。
但他的著作影响到整个欧洲和美国，美国人在20世纪50和60年代通过研究他的理论才明白为什么苏联人能在宇航中比美国领先一步。
齐奥尔科夫斯基当时也研究过大气中的飞行器，他的计算曾经取得和莱特兄弟同样的结果，但他没有能作出实际样品来。
苏联火箭之父弗里德利希·赞德对齐奥尔科夫斯基的著作推崇倍致，1924年在苏联成立了第一个宇航学会，8月23日选举齐奥尔科夫斯基为军事航空学院的第一位教授。苏联于1930年造出OR-1液体燃料推进的火箭，1933年造出OR-2型。
1929年，齐奥尔科夫斯基在他的著作《宇宙航行》中提出多级火箭的设想。
火箭推进计算的基本公式是以他名字命名的。
现在在卡卢加有一个以他命名的宇航博物馆；月球上有一个以他命名的环形山，有一个小行星（第1590号）也是以他命名的
齐奥尔科夫斯基研究了宇宙航行和火箭推动力的许多方面理论，所以被认为是人类宇宙航行之父。