poznał wówczas Siergieja Korolowa, którego w 1946 został I zastępcą i najbliższym współpracownikiem. W 1950 został I zastępcą głównego konstruktora Specjalnego Biura Konstruktorskiego-1 (OKB-1), brał udział m.in. w opracowaniu rakiet R-1, R-2A, R-3, R-5, R-9A, R-11 i R-5M (z ładunkiem atomowym), później odegrał kluczową rolę w projektach „Wostok”, „Sojuz” i „Mołnija”. Odegrał ogromną rolę w opracowaniu sondy księżycowej Łuna 1 wystrzelonej w 1959, i sondy Wenera 1 wystrzelonej w 1961. W 1957 otrzymał tytuł doktora nauk technicznych, później profesora. Po śmierci Korolowa w styczniu 1966 został głównym konstruktorem i dyrektorem OKB-1, którym był do 1974. Był członkiem korespondentem (od 1958), następnie akademikiem Akademii Nauk ZSRR (od 1966), był też członkiem rzeczywistym Międzynarodowej Akademii Astronautyki. W latach 1967–1975 był deputowanym do Rady Najwyższej RFSRR 6. i 7. kadencji. Został pochowany na Cmentarzu Trojekurowskim.