Koroliov nació en Zhytómyr, capital del óblast homónimu, entós parte de la Rusia Imperial. Los sos padres, Mariya Nikoláyevna Moskalenko y Pável Yákovlevich Koroliov, casárense nun matrimoniu alcordáu y la xunión nun resultó feliz. Tres años dempués de la nacencia de Serguéi la pareya dixébrase por cuenta de dificultaes económiques. La so madre cuntólu que'l so padre morriera, pero más tarde pescudaría que Pável vivió hasta 1929. Los dos nun se volveríen ver dende la rotura familiar, anque Pável escribiría a Mariya pa solicitar un alcuentru col so fíu.