Inspiriert durch Science-Fiction-Romane von Jules Verne, beschäftigte er sich mit dem Vordringen in den Weltraum. Konstantin Ziolkowski verfasste zahlreiche theoretische Abhandlungen über Raumflüge und den Bau von Raketen.
Nach dem Bau des Eiffelturms spekulierte er über Weltraumtürme mit Fahrstühlen ins All.
Er hat schnell erkannt, dass die damals bekannten Feststoff-Feuerwerksraketen nicht genügend Energie für einen Flug in die Umlaufbahn liefern. Daher schlug Ziolkowski die Nutzung flüssiger Treibstoffe vor: Sauerstoff, Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe.
1903 erschien in der russischen Zeitschrift "Wissenschaftliche Rundschau" sein epochaler Artikel "Erforschung des Weltraums mittels Reaktionsapparaten". Darin entwickelte er die Raketengrundgleichung. Sie beschreibt, wie sich eine Rakete durch den Ausstoß von Materie bewegt. Zudem beschrieb er das Konzept mehrstufiger Raketen.
Ziolkowskis Arbeiten wurden erst viele Jahre nach ihrer Veröffentlichung international wahrgenommen. Heute gilt er gemeinsam mit Hermann Oberth in Deutschland und Robert Goddard in den USA als Wegbereiter der Raumfahrt.
1935 ist Konstantin Ziolkowski kurz nach seinem 78. Geburtstag gestorben. Zweiundzwanzig Jahre später begann mit Sputnik die Raumfahrt.