1857年9月17日，齐奥尔科夫斯基出生于俄国伊热夫斯科耶镇（今属梁赞州）一个美丽的村庄。这个家庭有7个孩子，齐奥尔科夫斯基排行第五。他的父亲以正直闻名，特别爱好建筑，曾经带领着几个孩子一起造过楼房和宫殿的模型，还总是不停地告诉几个儿子要多做体力活儿，要自立。他的母亲活泼、热情，同时也非常能干。
童年的齐奥尔科夫斯基活泼伶俐，爱读书，喜欢思考问题，尤其是爱不着边际地幻想。由于家里的条件不好，齐奥尔科夫斯基不能到学校读书，他受过的唯一正规教育是在伊热夫斯科耶乡村上过一段时间的村办学校。但不幸的是，他10岁的时候，因滑雪得了严重的感冒，导致猩红热，最终几乎丧失了听觉，齐奥尔科夫斯基也因此成了邻近的儿童们嘲笑的对象。虽然这个生理缺陷使齐奥尔科夫斯基同人们疏远了，但他却从此更加发愤读书。他在母亲的耐心指导下补习功课，读书写字。两年后母亲去世，他只好在家自学。靠顽强的毅力，他5年学完了中学课程。在齐奥尔科夫斯基16岁的那年，父亲用积攒的钱送他到莫斯科去求学。他在莫斯科的3年多时间完全钻进图书馆里。家里每月给他寄来15卢布生活费、学习费，他只吃最简单的面包和蔬菜，把节省下的钱都买了书和实验用品。由于长期营养不良，他的体质越来越弱。1876年，齐奥尔科夫斯基被父亲召回了家。
1877年秋天，齐奥尔科夫斯基通过了乡村中学教师资格考试。4个月后，他被任命为卡卢加省波罗夫县一个中学的数学教师。在教学之余，齐奥尔科夫斯基潜心于研究宇宙航行问题，提出了关于人造卫星和“宇宙飞船”的构想。为了研究气流对飞行器的影响，他竟像孩子一样，迎着大风身披被单猛跑，或者拽着风筝在泥泞的路上奔跑，因此还招致一些人的嘲弄和冷遇，甚至有人把这位耳聋的中学教师视为精神不正常的怪人。齐奥尔科夫斯基后来在波罗夫县租了两间房子住了下来，房东是一个寡妇，有一个女儿叫索科洛娃，后来他与索科洛娃结了婚。
1881年，齐奥尔科夫斯基对气体理论进行了大量思考和研究，并完成了一篇论文，送交彼得堡的物理和化学学会。学会的科学家看到齐奥尔科夫斯基的论文后十分惊讶。因为论文的内容和结论完全正确，但这一问题早在20多年前就已得到了圆满解决。科学家们没有把这个年轻人看作是骗子或剽窃者。他们认为：这位年轻学者可能与外界缺乏联系，并不知道他的“发现”已经问世多年了。此后不久，成功发现元素周期律的著名科学家门捷列夫给齐奥尔科夫斯基写了一封措辞谨慎的信，对他的工作和成绩表示赞赏，还给予他鼓励，希望他将来取得更大成绩。
1883年，齐奥尔科夫斯基把自己的研究成果写成论文《外层空间》。他断定火箭能在太空的真空环境中飞行，同时描述了征服宇宙空间的火箭发动机原理。此外，他还写了一本叫《在地球之外》的科幻作品，设想科学家制造出一种长100米、直径40米的纺锤形“火箭航天船”，靠一种“宇宙枪”喷出气体，以此来推动航天船进入环绕地球的轨道飞行。航天船搭载20人，船内栽种着蔬菜和水果，携带足够的食品和用具，然后飞往月球。月球船中有两人开动月球车游览月球，看到了使人眼花缭乱的多姿多彩景象。若干年后，航天船平安返航，降落在大洋上，胜利结束了一次难忘的宇宙航行。这个构想与今天的载人飞行有惊人的相似之处。
1892年，齐奥尔科夫斯基到卡卢加定居，致力于宇航的理论研究与实践。从1896年起，他就开始撰写自己最重要的科学著作——《利用喷气工具探测宇宙空间》。在这部惊世的著作中，他提出了宇宙航行学中的一个重要的基本公式——齐奥尔科夫斯基公式。在正式发表时，他还把引力和空气阻力等因素考虑进去，并勾画出液体火箭发动机的草图。在自己研究成果的基础上，他进一步表现出超凡的才华，设想出许多提高火箭速度的方法。尤其令科学家瞩目的是，他最先倡导建造“梯级或列车式”火箭，即多级火箭，通过缜密的物理论证和精确的数学计算，他得出了结论：火箭若能越来越轻，便能越飞越快；火箭还可以一枚一枚地“串联”起来，当下一级的火箭燃料用尽后便自行脱落，而上一级的火箭则获得了新的速度。他以极高的想象力，同时指出，若干枚火箭也可以“并联”集成一束。这位伟大的宇航科学家，在著作中还研讨了火箭的最佳形状、火箭与空气摩擦引起的发热问题，指出宇宙航行的火箭应采用能量较高的液体燃料。他的深入研究，使他能最早建议用液氢和液氧作推进剂，利用阀门调节燃料的流量，以便控制火势和速度；他还提出研制回热冷却式发动机的设想……他的研究成果在当时是相当深奥的。当时的人们没有能力判断这些火箭构想的科学价值。因此，这部惊世的科学巨著屡遭坎坷，难以出版。直到美国莱特兄弟所造飞机试飞的1903年，这部巨著才在莫斯科的《科学评论》杂志上发表。
十月革命改变了齐奥尔科夫斯基的生活和研究条件，他的社会地位也有了很大的提高。1919年他被选为苏联社会主义科学院的会员，1921年苏维埃联邦社会主义共和国人民委员会决定给予他个人特殊养老金。从那时起，他更加勤奋地专注于航天学的研究。他在一篇名为《太空火箭工作：1903—1927年》的文章中，系统总结了他在火箭和航天学研究过程中所做的工作和取得的成就，进一步提出研制宇宙火箭列车即多级液体火箭以实现宇宙航行的构想，但是鉴于当时的工业水平和技术条件，他难以亲眼看到这种火箭升空的情景。即使如此，齐奥尔科夫斯基也没有丝毫的犹豫，对自己毕生的奋斗目标充满了信心。
在齐奥尔科夫斯基的论文和著作的影响下，一批火箭和航天爱好者走上了航天探索的道路。他的成就也被欧美广泛承认，德国航天先驱奥伯特曾在致齐奥尔科夫斯基的信中说：“您已经点燃了火炬，我们绝不会让它熄灭。让我们尽最大的努力，以实现人类最伟大的梦想。”随着世界范围内火箭和太空飞行研究热潮的兴起，齐奥尔科夫斯基的名望在迅速提高。1932年在他75周岁生日时，苏联的各大报纸和杂志都刊登了有关他的事迹和科学成就的长篇文章，斯大林也向他发去了生日贺电，一时间这位老人成了苏联杰出的人民英雄，被誉为“俄罗斯航天之父”“世界上最伟大的航天先驱者”。
1935年，这位苏联火箭之父的心脏停止了跳动。但苏联科学家沿着他的足迹前进，于1957年发射了世界上第一颗人造地球卫星。
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1935年9月19日，齐奥尔科夫斯基逝世于卡卢加，享年78岁。今天，在航天界仍然流行着一句名言，这是齐奥尔科夫斯基在给《航空评论》杂志的信中写下的：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。”苏联政府为他建立了纪念像，并在卡卢加市建立了齐奥尔科夫斯基博物馆；月球上有一个以他的名字命名的环形山，第1590号小行星也是以他的名字命名的。
