Thuở nhỏ, sau khi chứng kiến cảnh quê nhà được điện khí hóa, Robert Goddard bắt đầu quan tâm đến khoa học, với niềm tin rằng khoa học sẽ biến đổi mọi phương diện đời sống con người. Cha Goddard rất khuyến khích, đặt mua cho con trai kính viễn vọng, kính hiển vi và tạp chí Scientific American. Ban đầu, Goddard mày mò thí nghiệm với diều và khí cầu. Về sau, trong một lần đọc sách tại thư viện, ông tình cờ tìm được cuốn Principia Mathematica (Nguyên lý toán học) nổi tiếng của Isaac Newton. Ông học về định luật chuyển động từ cuốn này, nhanh chóng áp dụng chúng vào hỏa tiễn học.

Thoạt tiên chỉ hiếu kỳ, nhưng rồi Goddard làm việc bài bản, lần lượt giải quyết ba vấn đề khó, chế tạo được công cụ khoa học khả dụng. Thứ nhất, ông thử nghiệm nhiều loại nhiên liệu khác nhau, từ đó kết luận nhiên liệu dạng bột là kém hiệu quả nhất. Từ nhiều thế kỷ trước, người Trung Hoa đã phát minh bột thuốc súng, dùng để bắn tên lửa, nhưng thuốc súng cháy không đều nên tên lửa chỉ như một thứ đồ chơi. Goddard khéo thay thế nhiên liệu dạng bột bằng dạng lỏng – loại nhiên liệu dễ kiểm soát, cháy đều và sạch. Ông đóng một tên lửa hai bồn, một bồn chứa nhiên liệu, chẳng hạn chất cồn, bồn còn lại chứa chất oxy hóa, chẳng hạn oxy lỏng. Các chất trên chạy qua một hệ thống ống và van, tới buồng đốt. Tại đây, chúng được đốt và kiểm soát kỹ càng, tạo nên sức đẩy tên lửa.

Thứ hai, Goddard nhận thấy nhiên liệu sẽ cạn dần khi tên lửa bay lên không. Ông bèn thiết kế tên lửa đa tầng, có khả năng tách bỏ những bồn nhiên liệu đã dùng hết, nhờ đó giảm bớt trọng lượng chết, đồng thời tăng đáng kể hiệu năng và tầm hoạt động.

Thứ ba, ông sử dụng con quay hồi chuyển. Khi thiết bị này quay, dù người đứng ngoài có xoay nó thế nào thì trục của nó vẫn luôn chỉ về một hướng cố định. Thí dụ, nếu trục đã chỉ về sao Bắc Đẩu thì dẫu lật ngược con quay nó cũng sẽ không chuyển hướng. Có nó, tên lửa sẽ duy trì được phương hướng chính xác. Trong trường hợp phi thuyền bay chệch khỏi quỹ đạo, ta chỉ cần điều chỉnh tên lửa để bù trừ lại chuyển động lệch là sẽ quay về được hướng ban đầu.

Năm 1926, Goddard làm nên lịch sử khi phóng thành công tên lửa nhiên liệu lỏng đầu tiên. Tên lửa đạt độ cao hơn 12 m, bay trên không 2,5 giây, đáp xuống ruộng cải cách đó 56 m. (Địa điểm này hiện được công nhận là di tích lịch sử quốc gia và được các nhà khoa học tên lửa xem như thánh địa.)

Tại phòng thí nghiệm Đại học Clark, Goddard xác lập cấu trúc cơ bản cho mọi tên lửa nhiên liệu hóa học. Mô hình ông thiết kế chính là tiền thân của những quái vật sấm sét, cất cánh ầm ầm từ bệ phóng ngày nay.