Королёв был арестован 27 июня 1938 года по обвинению во вредительстве, после ареста Ивана Терентьевича Клеймёнова и других работников Реактивного института. После ареста был подвергнут пыткам — ему сломали обе челюсти.
25 сентября 1938 года Королёв был включён в список лиц, подлежащих суду Военной коллегии Верховного суда СССР. В списке он шёл по первой (расстрельной) категории[10][11]. Список был завизирован Сталиным, Молотовым, Ворошиловым и Кагановичем[12].
Королёв был осуждён Военной Коллегией Верховного Суда СССР 27 сентября 1938 года, обвинение: ст. 58-7, 11. Приговор: 10 лет ИТЛ, 5 лет поражения в правах.
После ареста. Бутырская тюрьма, 28 июня 1938 г.
Сергей Королёв прошёл Бутырку в Москве, пересыльную тюрьму в Новочеркасске
Реабилитирован «за отсутствием состава преступления» 18 апреля 1957 года[13][14]. | 
