По воспоминаниям Н. Моисеева известно, что Константин: «ставит себе в этот период ряд проблем, новых, не вычитанных, может быть, а придуманных и только навеянных чтением. Все эти проблемы таковы, что они требуют какого-то механического оформления, решения»; это обозначается как «изучение основ физики и механики при помощи метода этюдного технического проектирования». При этом, его математическую подготовку и полученное образование Костя не считал сколько-нибудь фундаментальным: «разбираясь в элементарной алгебре, Константин не имел твёрдых навыков в тригонометрии и в четырёх попытках отыскания тригонометрических функций в треугольнике дважды ошибся. Из высшей математики он умел дифференцировать и интегрировать простенькие выражения, а также раскладывать функции в ряд». Существенное влияние на становление К. Циолковского оказали труды Д. Писарева, у которого он воспринял методы популяризации научного знания.
В 1876 году Константин вернулся в Вятку. При помощи отца он устроился репетитором по алгебре и геометрии, и пользовался успехом, поскольку умел доступно объяснять предметы и демонстрировать их на собственноручно изготовленных моделях.
В 1878 году отец уже страдал глухотой и неким нервным заболеванием, вызывающем «сотрясение всех членов и отнятие ног на продолжительное время». Константин Эдуардович решил перебраться в Рязань, но так как здесь не было заработка от уроков, он сдал экстерном экзамен на звание учителя народных училищ. Вскоре устроился репетитором в помещичьем семействе, в библиотеке которого оказались «Основы химии» Менделеева. От этого периода сохранились первые рукописи с проектами летательных аппаратов, а также рассуждения о тяжести и центробежной силе, некоторые чертежи и расчёты.
Несмотря на глухоту, Циолковский быстро сошёлся с коллегами по училищу, особенно со смотрителем А. Толмачёвым и с учителем С. Чертковым (который стал первым издателем работ Константина Эдуардовича).
Вскоре Константин Циолковский женился на 23-летней Варваре Соколовой, однако, он вспоминал с горечью: «Я женился без любви У меня был врождённый аскетизм, и я ему всячески помогал. Браку я придавал только практическое значение». Константин Эдуардович признавался, что брак его был несчастливым, а атмосфера в семье угнетающей. В семье было семь детей: но в автобиографии было печальное замечание «от таких браков дети не бывают здоровы, удачны и радостны». Несмотря на то, что Константин Эдуардович в семье, в принципе не терпел возражений, при этом по мере сил помогал жене по хозяйству, хотя со временем всё, что отвлекало его от собственных занятий, раздражало всё более.
Педагогический талант Константина Эдуардовича привлекал учеников, он никогда не злоупотреблял наказаниями и не повышал голоса, умел рассказывать и объяснять. Будучи дворянином, Циолковский был вхож в местное Дворянское собрание, сошёлся с уездным предводителем дворянства Д. Я. Курносовым и репетировал его детей. Это позволило оградить учителя от произвола начальства. Однако епархиальные власти потребовали отчёта о его благонадёжности и отношению к Священному Писанию.
Соседями Циолковских были незаурядные люди, в том числе местный краевед Н. П. Глухарёв, а для Константина Эдуардовича были присущи, своего рода удивительные, привычки. Это были ночные фейерверки, запуск воздушного змея с фонарём и прочее. Или, например, его привычка напевать во время работы в мастерской, а для домашних в известном смысле это было испытанием. И при этом он был ярким воплощением образа энтузиаста-одиночки, увлечённого наукой.
Первой печатной работой К. Э. Циолковского считается «Давление жидкости на равномерно движущуюся в ней плоскость» (Труды отделения физических наук Императорского общества любителей естествознания, Т. IV).
В 18821883 годах Циолковский написал свои первые научные работы, посвящённые кинетике газов и аэродинамическому подобию. Рукопись первой статьи попала на отзыв к П. П. Фан-дер-Флиту, который оценил энтузиазм и способности провинциального учителя; в результате Э. К. Циолковского приняли в ряды Русского физико-химического обществ. В 1884 он стал титулярным советником. Как отмечал Константин Эдуардович,18861887 годы оказались плодотворными для него он закончил расчёты большого управляемого аэростата, а также написал повесть «На Луне». Весной 1887 год Боровск посетил П. Голубицкий, и под впечатлением от знакомства, он организовал ему поездку в Москву. Там в Политехническом музее на заседании Общества любителей естествознания Эдуард Константинович читал доклад о металлическом аэростате.