Tsiolkosvki profundizó en el estudio de los vuelos espaciales, y los eventuales viajes supersónicos en el espacio exterior (fue el primero en sugerir la construcción de estaciones orbitales). Se dedicó también al modelado de diseños aeronáuticos y cohetes, principalmente de combustible líquido. De hecho, Tsiolkovski realizaba manualmente sus propios modelos, estructuras y maquetas basados en sus investigaciones.

Asimismo, este científico ruso fue uno de los primeros en analizar los posibles problemas derivados de la puesta en órbita de satélites artificiales, de los problemas surgidos a raíz de largas estancias en complejos orbitales, la utilización de trajes espaciales, etc.

Tsiolkovski hizó también hincapié en el aprovechamiento de la energía solar para la construcción y el mantenimiento de satélites y naves tripulados. También planteó la posibilidad de obtener partido de los satélites en beneficio de la economía nacional de su país.

A partir de 1890 comenzó la publicación de artículos sobre diversos artefactos voladores (dirigibles, cohetes, naves espaciales...). En 1895 publicó Sueños de la Tierra y el cielo.
En 1903 publicó su libro Exploración de los espacios del Universo por medio de aparatos reactivos, en el que se decía "La humanidad no permanecerá por siempre en la Tierra, sino que primero se asomará tímidamente fuera de la atmósfera, y luego conquistará el espacio exterior".

Tsiolkovski fue un pionero de las ciencias espaciales, y por ello debe ser considerado como uno de los principales impulsores de la astronáutica; impulsó el estudio de los cohetes de varias fases, que serían finalmente usados en la década de los 60. Como homenaje, un cráter de la cara oculta de la Luna lleva su nombre.