Однако первый полет даже простейшего ракетоплана удалось осуществить – без участия С. П. Королева – только 28 февраля 1940 года, уже в совершенно ином, предвоенном мире. Ракетоплан, пилотировавшийся летчиком В. П. Федоровым, был отбуксирован обычным самолетом на высоту, после чего отцеплен. На высоте 2,6 километра включили реактивный двигатель, проработавший 110 секунд: при тяге в 90 килограммов скорость полета возросла с 80 до 120 километров в час (вследствие изношенности планера превышение порога 160 километров в час грозило его разрушением), высота увеличилась на 300 метров.
Работа над реактивным самолетом была продолжена в КБ В. Ф. Болховитинова. В 1942 году состоялся первый в истории полет на реактивном самолете Би-1 с двигателем, сконструированным в Реактивном НИИ, с тягой, превышавшей 1 тонну. Из-за того, что аэродинамика самолета не была рассчитана на скорость, развитую реактивным двигателем, произошла катастрофа; летчик Г. Я. Бахчиванджи погиб.
Осенью 1937 года руководители РНИИ И. Т. Клейменов и Г. С. Лангемак, а затем и главный двигателестроитель В. П. Глушко были арестованы (первые двое погибли в застенках), что дезорганизовало работу института. Непосредственной причиной репрессий стало то, что работу Реактивного НИИ курировал маршал Тухачевский. 27 июня 1938 года был арестован и добившийся к тому времени значительных успехов С. П. Королев. Разрабатывавшаяся им крылатая ракета «212» прошла окончательные испытания уже без него в двух экземплярах в 1939 году. В обоих случаях все системы двигателя, разгона и взлета сработали нормально, однако расчетной траектории полета удалось достигнуть только на начальном участке. В первом случае на высоте 250 метров преждевременно раскрылся парашют, во втором была нарушена устойчивость полета. Страна готовилась к войне, все ресурсы концентрировались на производстве уже разработанных вооружений, и работы над ракетой «212» были прекращены. Впоследствии Реактивный НИИ был преобразован в НИИ реактивной авиации Минавиапрома, в 1945 году под влиянием захваченных в Германии трофейных документов активизировал свою деятельность, а после назначения его директором М. В. Келдыша в декабре 1946 года стал ключевым центром ракетного двигателестроения.
Через 3 месяца после ареста С. П. Королев был включен в список лиц, подлежащих суду Военной коллегии Верховного Суда СССР, «по первой категории», что означало расстрел. Список был завизирован лично Сталиным, однако С. П. Королев был осужден лишь на 10 лет лагерей. В апреле 1939 года он попал на Колыму, где был занят на золотом прииске Мальдяк на общих работах. По просьбе его бывшего научного руководителя А. Н. Туполева Королева перевели в возглавляемое