Ein kryogenes Triebwerk ist typischerweise ein Raketentriebwerk, das entweder der Erdanziehungskraft entkommen soll, um Sonden in den Weltraum zu schicken oder um Satelliten in die Umlaufbahn zu heben. Sie verwenden flüssige Brennstoffe, die auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt werden und die ansonsten bei normalem Atmosphärendruck und -temperatur in gasförmigem Zustand vorliegen würden, wie beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff. Diese Kraftstoffe werden in einer von zwei Hauptausführungen verwendet, um eine Treibkraft zu erzeugen. Entweder wird der Wasserstoff als Brennstoff verdampft und durch das Sauerstoffoxidationsmittel gezündet, um einen normalen heißen Raketenschub zu erzeugen, oder sie werden gemischt, um superheißen Dampf zu erzeugen, der aus der Triebwerksdüse austritt und Schub erzeugt.
Derzeit verfügen fünf Nationen über erfolgreich getestete kryogene Triebwerksantriebe (Stand 2011). Dazu gehören die USA, Russland und China sowie Frankreich und Japan. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Lampoldshausen wird derzeit an der Entwicklung von kryogenen Antrieben gearbeitet. Indien hat auch erst 2009 ein kryogenes Raketendesign getestet, das von der indischen Weltraumforschungsorganisation (ISRO) hergestellt wurde, was zu einem katastrophalen Versagen des Testfahrzeugs führte.
Kryotechnik für Raketentreibstoffe gibt es mindestens seit dem Design der Saturn-V-Rakete aus den 1960er Jahren, die von den Apollo-Mondmissionen der Vereinigten Staaten verwendet wurde. Die Haupttriebwerke des US-Space Shuttles verwenden ebenfalls kryogen gespeicherte Treibstoffe, ebenso wie mehrere frühe Modelle von Interkontinentalraketen (Interkontinentalraketen), die von Russland und China als nukleare Abschreckung eingesetzt wurden. Flüssigtreibstoffraketen haben einen höheren Schub und daher eine höhere Geschwindigkeit als ihre Gegenstücke mit festem Treibstoff, werden jedoch mit leeren Treibstofftanks gelagert, da die Treibstoffe schwierig zu warten sein können und Triebwerksventile und -armaturen im Laufe der Zeit verschlechtern. Die Verwendung von kryogenem Treibstoff als Treibmittel erforderte Lagermöglichkeiten für den Treibstoff, damit er bei Bedarf in die Tanks von Raketentriebwerken gepumpt werden kann. Da der Startzeitpunkt von Raketen, die von einem kryogenen Triebwerk angetrieben werden, sich um mehrere Stunden verzögern kann und die Lagerung von Treibstoff riskant ist, stellten die USA in den 1980er Jahren auf alle festen nuklearen Interkontinentalraketen um.
Flüssiger Wasserstoff und flüssiger Sauerstoff werden bei -423° Fahrenheit (-253° Celsius) bzw. -297° Fahrenheit (-183° Celsius) gespeichert. Diese Elemente sind leicht erhältlich und bieten eine der höchsten Energieumwandlungsraten flüssiger Treibstoffe für den Raketenantrieb, so dass sie für jede Nation, die an kryogenen Triebwerkskonstruktionen arbeitet, zu den Treibstoffen der Wahl geworden sind. Sie erzeugen auch eine der höchsten bekannten spezifischen Impulsraten für den chemischen Raketenantrieb von bis zu 450 Sekunden. Der spezifische Impuls ist ein Maß für die Impulsänderung pro verbrauchter Kraftstoffeinheit. Eine Rakete, die 440 spezifische Impulse erzeugt, wie ein kryogener Space-Shuttle-Triebwerk im Vakuum, würde eine Geschwindigkeit von etwa 9,900 Meilen pro Stunde (15,840 Kilometer pro Stunde) erreichen, was gerade ausreicht, um sie für eine längeren Zeitraum.
Eine neue Variante von kryogenen Triebwerken ist das Common Extensible Cryogenic Engine (CECE), das von der National Aeronautics and Space Administration (NASA) in den USA entwickelt wird. Es verwendet den typischen flüssigen Sauerstoff und Wasserstoff als Kraftstoff, aber der gesamte Motor selbst ist ebenfalls unterkühlt. Der Treibstoff mischt sich, um überhitzten Dampf von 5,000° Fahrenheit (2,760° Celsius) als eine Form von Raketenschub zu erzeugen, der von etwas über 100 % auf 10 % Schub nach oben und unten gedrosselt werden kann, um in Landeumgebungen wie auf der Oberfläche zu manövrieren der Mond. Das Triebwerk wurde noch 2006 erfolgreich getestet und kann sowohl bei zukünftigen bemannten Mars- als auch Mondmissionen eingesetzt werden.