Королев стал заместителем директора института, но его настойчивое стремление продолжить работы по созданию ракетоплана и нежелание сконцентрироваться целиком на ракетах привело в январе 1934 года к сокращению его должности и направлению его в сектор крылатых ракет. На этой скромной позиции он сумел не допустить сворачивания работ по созданию бескрылых ракет (сейчас их называют баллистическими), а в самом конце 1935 года добился возобновления разработки ракетоплана. В 1936 году он довел до испытаний зенитную ракету проекта «217» с твердотопливным (пороховым) двигателем и дальнобойную ракету проекта «212» с жидкостным двигателем.
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.
