ажнейшие научные результаты получены Ц. в теории движения ракет (ракетодинамике). Мысли об их использовании в космосе высказывались Ц. ещё в 1883, однако создание им математически строгой теории реактивного движения относится к 1896. Только в 1903 ему удалось опубликовать часть статьи "Исследование мировых пространств реактивными приборами", в которой он обосновал реальную возможность их применения для межпланетных сообщений. В этой статье и последовавших продолжениях её (1911, 1914) он заложил основы теории ракет и жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Рассмотрение практической задачи прямолинейного движения ракеты привело Ц. к решению новых проблем механики тел переменной массы. Им впервые была решена задача посадки космического аппарата на поверхность планет, лишённых атмосферы. В 1926—29 Ц. разработал теорию многоступенчатых ракет (см. Составная ракета). Он первым решил задачу о движении ракеты (см. Циолковского формула) в неоднородном поле тяготения и рассмотрел (приближённо) влияние атмосферы на полёт ракеты, а также вычислил необходимые запасы топлива для преодоления сил сопротивления воздушной оболочки Земли.
Ц. — основоположник теории межпланетных сообщений. Его исследования впервые показали возможность достижения космических скоростей, доказав осуществимость межпланетных полётов. Он первым изучил вопрос о ракете — искусственном спутнике Земли (ИСЗ) — и высказал идею создания околоземных станций (см. Орбитальная станция) как искусственных поселений, использующих энергию Солнца и промежуточных баз для межпланетных сообщений; рассмотрел медико-биологические проблемы, возникающие при длительных космических полётах. Ц. написал ряд работ, в которых уделил внимание использованию ИСЗ в народном хозяйстве и др.
Ц. выдвинул ряд идей, которые нашли применение в ракетостроении. Им предложены газовые рули (из графита) для управления полётом ракеты и изменения траектории её центра масс; использование компонентов топлива для охлаждения внешней оболочки космического корабля (во время входа в атмосферу Земли), стенок камеры сгорания и сопла ЖРД; насосная система подачи компонентов топлива (для уменьшения массы двигательной установки); оптимальные траектории спуска космического аппарата при возвращении из космоса и др. В области ракетных топлив Ц. исследовал большое число различных окислителей и горячих для ЖРД; рекомендовал следующие топливные пары: жидкие кислород с водородом, кислород с углеводородами и др.
Ц. — первый идеолог и теоретик освоения человеком космического пространства, конечная цель которого представлялась ему в виде полной перестройки биохимической природы порожденных Землёй мыслящих существ. В связи с этим он выдвигал проекты новой организации человечества, в которых своеобразно переплетаются идеи социальных утопий различных исторических эпох. Ц. — автор ряда научно-фантастических произведений, а также исследований в др. областях знаний: лингвистике, биологии и др.

он изобрел реактивный двигатель