Родился 17 сентября 1857 г. (5 сентября по старому стилю 1857 г.) в с. Ижевском Рязанской губернии (ныне в Спасском районе Рязанской обл.). Затем семья Циолковских переехала в Рязань, а в 1868 г. - в гор. Вятку (ныне Киров).
В 10-летнем возрасте Константин Циолковский переболел скарлатиной, осложнения заболевания привели к почти полной потере слуха. Из-за глухоты он испытывал трудности в учебе в Вятской мужской гимназии.
В 1873 г. был отправлен отцом в Москву для получения образования. Однако Константин Циолковский никуда не поступил. В течение трех лет он самостоятельно изучал физико-математические науки по курсу средней и высшей школы, посещая библиотеку Румянцевского музея (ныне Российская государственная библиотека).
Затем Циолковский вернулся в Вятку, где продолжил свое самообучение в городской публичной библиотеке. Подрабатывал частными уроками.
В конце 1870-х гг. семья Циолковских вернулась в Рязань.
Осенью 1879 г. Константин Циолковский экстерном сдал экзамен в Рязанской гимназии на звание учителя уездного училища по предмету математики.
В 1880 г. он получил назначение в Боровское уездное училище (Калужская губерния, ныне Калужская область), где преподавал арифметику и геометрию. В том же году женился на Варваре Соколовой, дочери местного священника, у которого снимал квартиру.
Одновременно с учительской деятельностью Константин Циолковский занимался наукой, вопросами воздухоплавания. В 1883 г. он написал работу "Свободное пространство", в которой впервые высказал идею о возможности перемещения в космосе с помощью реактивного прибора - "снаряда для путешествия в свободное пространство". В 1892 г. была напечатана его первая научная работа по воздухоплаванию "Аэростат металлический, управляемый", в 1886 г. - объемный труд "Теория и опыт аэростата, имеющего в горизонтальном направлении удлиненную форму" (о разработке цельнометаллического управляемого аэростата).
В 1892 г. Циолковский был переведен Калужское уездное училище (преподавал в нем до 1904 г.). Вместе с женой и детьми переехал в Калугу, где жил вплоть до своей кончины. С 1899 г. также преподавал математику и физику в Калужском епархиальном училище.
В 1893 г. была опубликована (как приложение к журналу "Вокруг света") его научно-фантастическая повесть "На Луне", вызвавшая интерес у читателей. Впоследствии она неоднократно переиздавалась, в том числе пять раз еще при жизни Циолковского.
В 1897 г., изучая законы сопротивления воздуха, Константин Циолковский построил "воздуховку" (аэродинамическую трубу), в которой исследовал модели аэростатов.
В тот же период он сосредоточился на решении проблемы космических полетов. Итогом двухлетней работы стал его труд "Исследование мировых пространств реактивными приборами", заложивший основы теоретической космонавтики. В нем ученый впервые предложил проект жидкостной ракеты и обосновал теорию ее полета. Краткое изложение труда было опубликовано в 1903 г. в журнале "Научное обозрение", но прошло незамеченным. Лишь публикация в 1911-1912 гг. в журнале "Вестник воздухоплавания" нашла отклик в научных кругах.
В 1914 г. Константин Циолковский был официально приглашен на III Всероссийский воздухоплавательный съезд. В том же году отдельной брошюрой он издал "Дополнение к "Исследованию мировых пространств реактивными приборами".
После Октябрьской революции 1917 г. работал над созданием теории полета реактивных самолетов, изобрел свою схему газотурбинного двигателя.
В 1919 г. Константин Циолковский был арестован по обвинению в помощи белогвардейцам, но вскоре дело было прекращено.
Осенью 1921 г. он оставил педагогическую работу и сосредоточился на научной деятельности. В 1926-1927 гг. разработал теорию многоступенчатых ракет. Первым решил задачу о движении ракеты (вывел так называемую формулу Циолковского) в неоднородном поле тяготения и рассмотрел влияние атмосферы на полет ракеты, а также вычислил необходимые запасы топлива для преодоления сил земного притяжения. В 1932 г. создал теорию полета реактивных самолетов в стратосфере и схемы устройства самолетов с гиперзвуковыми скоростями.
Константин Циолковский скончался 19 сентября 1935 г. в Калуге от рака желудка. Был похоронен в Загородном саду (ныне парк его имени) города.
Являлся автором более 500 научных работ, посвященных воздухоплаванию, теории ракетостроения, космонавтике, философии и другим проблемам, ряда научно-фантастических повестей. Среди них - "Аэроплан или птицеподобная (авиационная) летальная машина" (1894), "Грезы о Земле и Небе и эффекты всемирного тяготения" (1895), "На чужих планетах" (1905), "Богатство Вселенной" (1920), "Вне Земли" (1920), "Ракета в космическое пространство" (1924), "Новый аэроплан" (1929), "Новый тип дирижабля" (1932) и др.
Был награжден орденами Российской империи - св. Станислава III степени (1906), св. Анны III степени (1911), советским орденом Трудового Красного Знамени (1932, за "особые заслуги в области изобретений, имеющих огромное значение для экономической мощи и обороны Союза ССР").
В 1954 г. Академия наук СССР учредила золотую медаль имени К. Э. Циолковского, которой награждались "за выдающиеся работы в области межпланетных сообщений". В настоящее время в наградную систему Российской академии наук входит премия им. К. Э. Циолковского (присуждается "за выдающиеся работы в области межпланетных сообщений и использования космического пространства").
Имя ученого носят Государственный музей истории космонавтики им. К. Э. Циолковского и лицей №9 им. К. Э. Циолковского в Калуге, Калужский государственный университет им. К. Э. Циолковского, общественная организация "Российская академия космонавтики имени К. Э. Циолковского". Памятники и бюсты ученому установлены в Москве, Санкт-Петербурге, Рязани, Боровске. В честь Циолковского названы город в Амурской области, улицы в Москве, Рязани, Калуге и др. городах.