Opracował projekt metalowego sterowca (1887). W 1894 roku wykonał projekt samolotu jednopłatu o konstrukcji praktycznie stosowanej 15 lat później. W 1897 roku zbudował pierwszy w Rosji tunel aerodynamiczny (którego szefem mianował Polaka – Feliksa Rewieńskiego) i opracował technikę pomiarów aerodynamicznych. W 1900 roku przeprowadził badania oporu aerodynamicznego różnych ciał. W 1903 roku ogłosił w artykule „Issledowanije mirowych prostranstw rieaktiwnymi priborami”Konstanty Ciołkowski, Issledowanije mirowych prostranstw rieaktiwnymi priborami, 1914 teorię lotu rakiety z uwzględnieniem zmiany masy (pierwsza poważna praca z dziedziny astronautyki). Opracowanie powstało zanim jeszcze bracia Wright wykonali pierwszy w świecie lot samolotem. Podał wzór opisujący zależność między prędkością rakiety a jej masą i prędkością gazów wylotowych. W 1929 roku Ciołkowski opracował teorię ruchu rakiet wielostopniowych w ziemskim polu grawitacyjnym. Zaproponował zastosowanie w rakietach stabilizatorów żyroskopowych, chłodzenie komory spalania silnika rakietowego składnikami paliwa. Po raz pierwszy w dziejach podał podstawy teorii silnika rakietowego na paliwo ciekłe.
Zaprojektował wiele rakietowych mieszanek paliwowych.