Perde a mãe quatro anos mais tarde. Adolescente órfão e surdo, passa o tempo sozinho em casa, lendo. Com as obras de Júlio Verne, apaixona-se pela ideia das viagens interplanetárias. Autodidata, estuda matemática e física e, em 1878, chega a mestre-escola em Boyovsk, na província de Kaluga.
Continua pesquisando a teoria de foguetes espaciais em um laboratório que constrói em casa. Chama a atenção da Sociedade de Física e Química de Moscou com suas experiências sobre a teoria cinética dos gases e é convidado a se associar a ela.
Em 1892 planeja um dirigível metálico movido a gás e cria o primeiro túnel de vento que permite testar as características aerodinâmicas das naves espaciais soviéticas. Em 1895 concebe um satélite artificial para orbitar a Terra a 320 quilômetros da superfície.
Sua teoria sobre os mecanismos de propulsão das naves interplanetárias é publicada em 1903, três anos antes de Santos-Dumont criar o avião. Em 1923, 16 anos antes da invenção do primeiro avião a jato, planeja um foguete de múltiplos estágios. Morre na cidade de Kaluga.