進圖書館，在自學的過程中，有關飛行和星際航行問題已經開始強烈地吸引著他。著方面的興趣很大程度上是受凡爾納科學幻想小說的影響。有一天，齊奧爾科夫斯基在自學過程中，遇到了一個作用和反作用定律的問題。他透過這條定律大膽地設想：如果有一天發生了一場巨大的爆炸把地球炸成碎片，那麼這些地球碎片的引力中心將仍然保持在原繞太陽執行的軌道上。這實際上就是引力中心不變定律。後來作用與反作用定律以及引力中心不變定律成了他解決宇宙航行問題的基礎，當時他只有19歲。

刻苦的自學使齊奧爾科夫斯基獲得了大量的科學知識，也為他後來的研究工作奠定了重要基礎。1878年秋，他輕而易舉地過了中學教師的資格考試，被分配到波羅伏斯克縣擔任中學教師，教師工資雖然微薄，但對他來說似乎是理想的生活出路。

在之後的十多年間，齊奧爾科夫斯基對很多的科學領域進行研究，包括對輕於空氣的飛行器——飛艇的研究，對航天飛行諸方面問題，他一直在斷斷續續地進行著研究和思索，並且在1883年，他的一篇名為《自由空間》的手稿中，首次指出利用反作用裝置作為外太空旅行工具的推進動力的可能性。但直到1891年之後對太空問題的研究才佔據了他的主要精力和時間。

他的有關太空飛行的思想在1893年發表的科幻小說《月球上》和1895年寫的《地月現象和萬有引力效應》中得到了進一步發展。1896年，他開始從理論上研究星際航行的有關問題，進一步明確了只有火箭才能達到這個目的。1897年，齊奧爾科夫斯基推匯出了著名的火箭運動方程式。齊奧爾科夫斯基經過幾年潛心研究，於1898年完成了航天學經典性的研究論文《利用噴氣工具研究宇宙空間》，並於1903�