Научная и инженерная деятельность связана с механикой и аэрогазодинамикой летательных аппаратов. Участвовал в создании советской термоядерной бомбы. С 1946 г. был начальником НИИ-1 Министерства авиационной промышленности. В 1950–1961 гг. был научным руководителем НИИ-1. Являлся одним из основоположников развертывания работ по исследованию космоса и созданию ракетно-космических систем. С середины 1950-х гг. возглавил разработку теоретических предпосылок вывода искусственных тел на околоземные орбиты, в дальнейшем – полетов к Луне и планетам Солнечной системы. Руководил научно-техническим советом по созданию 1-го искусственного спутника Земли; внес большой вклад в осуществление программ пилотируемых полетов, проведение исследований околоземного космического пространства, межпланетной среды, Луны и планет. Осуществлял научное руководство работами по программе «Интеркосмос». Руководил работами по созданию советских ЭВМ для расчетов по атомной и ракетно-космической тематике.