Działanie mały|Schemat przepływu wodoru w silniku Ciekły wodór ze zbiornika jest tłoczony przez turbopompę do kanałów chłodzących w dyszy, a następnie w płaszczu reaktora. Stamtąd przechodzi do rdzenia reaktora, gdzie, przepływając przez pręty paliwowe, ogrzewany jest do jak najwyższej temperatury (limitowanej wytrzymałością materiałów, z których wykonany jest rdzeń). Z komory reaktora gaz przechodzi do dyszy, gdzie jest przyśpieszany i wyrzucany na zewnątrz, generując ciąg. Część gazu jest odprowadzana przed wejściem do rdzenia i napędza turbopompę. Gaz odlotowy z turbopompy może być odprowadzany w przestrzeń lub pompowany znów do obiegu.
Zastosowanie Rakietowe silniki nuklearne byłyby najbardziej przydatne do lotów na duże odległości, gdy trzeba szybko przewieźć ładunek o dużej masie. Załogowy lot na Marsa, przy użyciu dzisiejszych silników na paliwo chemiczne trwałby przy sprzyjającym układzie planet co najmniej około 8 miesięcy. Przy użyciu silnika nuklearnego czas lotu wyniósłby około 100 dni.