О личной жизни в это время приходится забыть, у Королёва нет времени даже на письма, он шлет Нине только телеграммы, в которых сообщает, что здоров и скучает без нее.
С лета 1955-го и до начала 1956 года было проведено 28 пусков будущего носителя атомной боеголовки. Взорвалась только одна ракета, с причинами быстро разобрались. Были недолеты, срывы пусков. Королёв все это уже проходил, и не раз, но все равно нервничал.
В феврале 1956 года на полигон съехалось большое начальство. Погода на старте испортилась. Все члены комиссии поехали на наблюдательный пункт, находившийся в шести километрах от ракеты. В бункере остались только стартовики, Королёв, Пилюгин и Павлов. Сергей Павлович сидел у перископа. 20 февраля 1956 года состоялся первый старт советской ракеты с ядерной боеголовкой. Наблюдатели на атомном полигоне ракеты не видели – только огненный столб, распустившийся шляпкой ядерного гриба.
20 апреля Королёву Сергею Павловичу вместе с группой атомщиков было присвоено звание Героя Социалистического Труда. В том же, 1956 году, 14 августа, приказом Устинова ОКБ-1 Королёва становится самостоятельной организацией. Член-корреспондент Академии наук СССР, Герой Социалистического Труда Сергей Павлович Королёв назначен Главным конструктором ведущего ракетного конструкторского бюро страны.
Первые прикидки по Р-7, ракете, которой суждено было начать космическую эру, Королёв сделал еще в 1946 году. Он задумывал ее не просто как межконтинентальную, но и как космическую ракету. Сначала нужно было решить, какой она будет: двухступенчатая баллистическая ракета с жидкостными ракетными двигателями, или ракета, у которой первая ступень – обычная жидкостная, вторая – крылатая с прямоточным двигателем. Королёв думал над обоими вариантами и в итоге остановился на первом. Далее ему надо было определиться со схемой ракеты: как соединить две ступени? Поставить одну на одну, сделать пакет, наращивая не в высоту, а в ширину? Как их лучше запускать – все сразу или по очереди? Опять же двигатели, как быть с ними? Это были только первые вопросы, одни из многих. В ОКБ Королёва было рассмотрено около шестидесяти вариантов схем компоновки Р-7. Это был долгий и упорный поиск. Королёв должен был оценить сильные и слабые стороны каждой схемы и выбрать одну. Помимо инженерных решений, Сергей Павлович должен был подумать и о том, как доставить ракету на полигон: целиком такую махину не погрузить ни в поезд, ни на самолет, ни на корабль. Ракеты еще не было, но все понимали, что полигон Капустин Яр маловат для нее – нужно создавать новый. Как собирать ракету на полигоне – горизонтально и поднимать или сразу вертикально? Перед Главным конструктором стояли десятки вопросов, на которые он должен был найти ответ. Королёв работал с конструкторами, двигателистами, баллистиками, гироскопистами, мастерами-производственниками, специалистами в самых разных областях техники. Объединяя их усилия, он создавал новую ракету.
На одном из заседаний Политбюро решено было строить полигон в казахской степи, на разъезде Тюратам. Начальником нового полигона был назначен генерал Алексей Иванович Нестеренко, за строительство отвечал полковник Георгий Максимович Шубников. Первые строители на разъезде Тюратам появились в начале 1955 года. На разъезд потянулись составы с лесом, стеклом, кирпичом, цементом, появились грузовики, тракторы, бульдозеры. В первый раз Королёв приехал в Тюратам в сентябре 1956 года. Строительство полигона было окружено строжайшей секретностью. Рядовые солдаты не знали, что они строят. Письма проверяла военная цензура. Запрещалось писать не только о котлованах, но и о том, что кругом пески, о тюльпанах весной, о сусликах и скорпионах. Один из строителей поинтересовался у Королёва, что же здесь будет. Сергей Павлович рассмеялся и ответил, что будет здесь самый большой стадион в мире.
Королёв тяжело переносил климат Капустиного Яра. Оказалось, что жара в Тюратаме еще страшнее, а морозы сильнее. Поначалу, когда не было водопровода, с водой было совсем плохо. Без воды не сваришь ни каши, ни супа, случалось, солдаты оставались без обеда.
Весной 1957 года в Тюратам прибыл спецпоезд с первой Р-7. Через месяц приехал Королёв, вместе с ним – главные конструкторы Глушко, Пилюгин, Рязанский, начальство от Устинова, генералы от первого заместителя министра обороны СССР, маршала артиллерии Митрофана Неделина. Главный конструктор Владимир Павлович Бармин приехал раньше, занимался стартовым комплексом.