W 1929 w związku z dobrą znajomością niemieckiego został komenderowany do przedstawicielstwa handlowego w Berlinie jako starszy inżynier działu inżynieryjnego. Mieszkał w Berlinie wraz z żoną i córkami, wyjeżdżał też do innych miast Niemiec i innych państw Europy. Po powrocie do ZSRR w maju 1932 został szefem laboratorium gazodynamicznego Zarządu Artyleryjskiego Armii Czerwonej, na bazie którego 21 września 1933 został utworzony w Moskwie pierwszy na świecie Reaktywny Instytut Naukowo-Badawczy, którego dyrektorem został Klejmionow, a zastępcą dyrektora Siergiej Korolow. W maju 1936 otrzymał rangę wojskowego inżyniera 1 rangi. Wniósł duży wkład w stworzenie radzieckiego systemu rakietowego, w tym rakiet Katiusza. Jego współpracownikiem był główny inżynier instytutu, Gieorgij Langemak.

2 listopada 1937 na skutek donosu został aresztowany przez NKWD i oskarżony o szpiegostwo na rzecz Niemiec i sabotaż. 10 stycznia 1938 został skazany przez Wojskowe Kolegium Sądu Najwyższego ZSRR pod przewodnictwem Wasilija Ulricha na śmierć przez rozstrzelanie;