Населённый пункт основан в 1961 году как посёлок Углегорск.
С 1969 по 1994 год посёлок имел название Свободный-18, во избежание почтовой путаницы с сахалинским Углегорском.
В 2001 году ЗАТО «посёлок Углегорск» переименовано в ЗАТО «Углегорск».
14 марта 2014 года в посёлке состоялись публичные слушания по переименованию Углегорска в Циолковский, проведённые по инициативе В. В. Путина.
В сентябре 2015 года депутаты Заксобрания Амурской области приняли закон об изменении статуса посёлка Углегорск и преобразовании его в город без изменения установленных административных границ.
В декабре 2015 года городу присвоено имя К. Э. Циолковского.
Город расположен на реке Большая Пёра, притоке реки Зеи, в 180 км севернее Благовещенска, в 110 км от границы с Китаем.
В 44 км южнее расположен город Свободный, в 75 км северо-западнее — город Шимановск.
Железнодорожная станция Ледяная на Транссибе расположена в 5 км от города.
Федеральная автомобильная дорога «Амур» проходит поблизости от города.