核火箭的设想最早由美国核科学家乌拉姆提出，利用核聚变使一颗颗小型原子弹在飞船尾部相继爆炸而产生推力。若每颗原子弹的爆炸当量为1000吨TNT，估计爆炸50颗原子弹后飞船速度可达12千米/秒。
20世纪50年代末，美国核科学家泰勒提出了类似的“猎户座”计划，每颗原子弹的爆炸当量为2000吨TNT（在大气层外），爆炸50颗后飞船的最大速度可达70千米/秒。
核火箭的发动机利用核反应或放射性物质衰变释放出的能量加热工作介质，工作介质通过喷管高速排出，产生推力，使宇宙飞船高速飞行。根据核能释放方式的不同，核火箭可分为放射性同位素衰变型、核裂变型和核聚变型三种。所谓核裂变是在一定条件下，原子核发生分裂，同时释放出大量的能量。所谓核聚变是在一定条件下，较轻的原子核会聚合成新的较重的原子核，同时释放出大量的能量。
1968年，曾参加过“猎户座”计划的科学家戴森首次提出利用核聚变推进的恒星际航行方案，飞船总质量为3000万吨，携带30O0万颗氢弹。经过连续脉冲爆炸可在10年内将飞船加速到300千米/秒。
1970年，美国内华达大学温特伯格提出了用高能电子束引发核聚变。他设计的发动机每次核聚变可释放出约100亿焦的能量，可实现300千米/秒的高速航行。
目前，美国科学家詹姆斯·鲍威尔和乔治·梅兹宣称。在10年内将开发出用于未来宇宙航行的探险飞船用的核发动机。美国马歇尔太空飞行中心太空运输研究室负责人约翰·科尔认为有许多美国科学家对核火箭的研制饶有兴趣。核火箭无疑是未来飞行器的发展方向，也是解决宇宙航行动力问题的发展方向之一。
显然，核火箭存在着很大的隐患。特别是核辐射对航天员健康可能造成威胁。因为核火箭飞船内的辐射量相当于航天员每天要做8次X线胸部透视，较长时间的作用会对航天员的身体造成严重的伤害。航天员返回地面后，肌肉量一般会减少3O%，骨密度会下降。
高效核燃料镅的出现，催生了宇宙航行的一种最新方案。由于镅产生裂变反应的临界状态的质量只需铀和针的1%。因此其裂变极易发生，而且一经发生就会持续下去，这样就可以大大减少宇宙飞船需要携带的燃料，也就可以缩短宇宙飞行的时间。
以从地球飞往火星为例：使用核子动力火箭飞行时间只需2个星期，而用化学燃料火箭飞行时间至少需要6～10个月。这种核火箭有望于2020年前后研制成功。