Dès 1898, il a notamment recommandé l'utilisation d'ergols liquides, l'hydrogène et  l'oxygène, pour la propulsion des fusées. C'est actuellement cette combinaison qui est mise en oeuvre pour le fonctionnement du moteur principal de la fusée Ariane 5.

En 1903, dans un article intitulé "Exploration de l'espace au moyen d'engins à réaction", il explique comment la propulsion par réaction peut fonctionner dans le vide et communique l'expression permettant de calculer la vitesse atteinte par une fusée en fonction de la vitesse d'éjection des gaz.

Ci-contre : schéma de principe d'une fusée, par Tsiolkovski (d'après "La propulsion solide", Copyright SNPE)