Los sistemas de propulsión líquida llevan el propulsor en tanques externos a la cámara de combustión. La mayoría de estos motores utilizan un oxidante líquido y un combustible líquido, que se transfieren desde sus respectivos tanques mediante bombas. Las bombas elevan la presión por encima de la presión de funcionamiento del motor, y los propulsores se inyectan entonces en el motor de manera que se garantice la atomización y la mezcla rápida. Los motores de propulsión líquida tienen ciertas características que los hacen preferibles a los sistemas sólidos en muchas aplicaciones. Estas características incluyen (1) mayores velocidades efectivas de escape (ve), (2) mayores fracciones de masa (masa del propulsor dividida por la masa de los componentes inertes), y (3) control del nivel de funcionamiento en vuelo (acelerabilidad), incluyendo a veces la capacidad de parar y reiniciar y el apagado de emergencia. Además, en algunas aplicaciones es una ventaja que la carga del propulsor se retrase hasta poco antes del momento del lanzamiento, una medida que permite el uso de un propulsor líquido. Estas características tienden a promover el uso de sistemas líquidos en muchas aplicaciones de la etapa superior en las que son especialmente importantes una alta ve y una elevada fracción de masa de propulsante. Los sistemas líquidos también se han utilizado ampliamente como vehículos de lanzamiento de primera etapa para misiones espaciales, como, por ejemplo, en los sistemas de lanzamiento Saturno (estadounidense), Ariane (europeo) y Energia (soviético). Los méritos relativos de los propulsores sólidos y líquidos en los grandes vehículos de lanzamiento siguen siendo objeto de debate e implican no sólo el rendimiento de la propulsión, sino también cuestiones relacionadas con la logística, los costes de capital y de explotación de las instalaciones de lanzamiento, la recuperación y la reutilización del material de vuelo, etc.

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Los componentes típicos de un sistema de propulsión de cohetes de líquido son el motor, los tanques de combustible y la estructura del vehículo con la que se mantienen estas partes en su lugar y se conectan a la carga útil y a la plataforma de lanzamiento (o al vehículo). Los tanques de combustible y oxidante suelen ser de construcción muy ligera, ya que funcionan a baja presión. En algunas aplicaciones, los propulsores son criogénicos (es decir, se trata de sustancias como el oxígeno y el hidrógeno que son gaseosas en condiciones ambientales y deben ser almacenadas a una temperatura extremadamente baja para estar en estado líquido).

El motor de propulsión líquida propiamente dicho consta de una cámara principal para mezclar y quemar el combustible y el oxidante, con el extremo anterior ocupado por los colectores e inyectores de combustible y oxidante y el extremo posterior compuesto por la tobera supersónica. Integrada en la cámara principal hay una camisa de refrigerante por la que circula el propulsor líquido (normalmente el combustible) a velocidades lo suficientemente altas como para permitir que el motor funcione continuamente sin un aumento excesivo de la temperatura en la cámara. Las presiones de funcionamiento del motor suelen estar en el rango de 1.000-10.000 kilopascales (10-100 atmósferas). Los propulsores se suministran al colector del inyector a una presión algo mayor, normalmente mediante turbobombas de gran capacidad (una para el combustible y otra para el oxidante). Desde el exterior, un motor de propulsión líquida suele parecer un laberinto de tuberías, que conecta los depósitos con las bombas, lleva el flujo de refrigerante hacia y desde las camisas de refrigeración y transporta los fluidos bombeados al inyector. Además, los motores suelen estar montados sobre cardanes para que puedan girar unos pocos grados para controlar la dirección del empuje, y se conectan actuadores adecuados entre el motor (o los motores) y la estructura del vehículo para constreñir y girar el motor.

Cada uno de los motores principales del transbordador espacial estadounidense emplea propulsores de oxígeno líquido (LO2) e hidrógeno líquido (LH2). Estos motores representan una variedad muy compleja y de alto rendimiento de cohetes de propulsión líquida. No sólo tienen un valor ve de 3.630 metros (11.909 pies) por segundo, sino que también son capaces de controlar la magnitud del empuje en un rango significativo (2-1). Además, los motores del transbordador forman parte del orbitador alado, diseñado para transportar tanto la tripulación como la carga útil durante un máximo de 20 misiones.

En el extremo opuesto de complejidad y rendimiento se encuentra un propulsor de hidracina utilizado para el control de actitud de vehículos de vuelo convencionales y naves espaciales no tripuladas. Este sistema puede emplear un recipiente de presión con válvulas en lugar de una bomba, y el propulsor único fluye a través de un lecho de catalizador que provoca una descomposición exotérmica (que libera calor). El gas resultante se expulsa a través de una boquilla convenientemente orientada para la corrección de actitud requerida. Los sistemas de este tipo también se utilizan como generadores de gas para las turbobombas de los cohetes más grandes.

La mayoría de los cohetes de propulsión líquida utilizan sistemas bipropelentes, es decir, aquellos en los que un oxidante y un combustible se almacenan por separado y se mezclan en la cámara de combustión. Las propiedades deseables para las combinaciones de propulsores son la baja masa molecular y la alta temperatura de los productos de reacción (para una alta velocidad de escape), la alta densidad (para minimizar el peso del tanque), el bajo factor de peligro (por ejemplo, corrosividad y toxicidad), el bajo impacto ambiental y el bajo coste. Las elecciones se basan en compensaciones según las aplicaciones. Por ejemplo, el oxígeno líquido se utiliza ampliamente porque es un buen oxidante para una serie de combustibles (dando una alta temperatura de llama y una baja masa molecular) y porque es razonablemente denso y relativamente barato. Sólo es líquido por debajo de -183 °C (-297 °F), lo que limita un poco su disponibilidad, pero puede cargarse en tanques aislados poco antes del lanzamiento (y reponerse o drenarse en caso de retrasos en el lanzamiento). El flúor líquido o el ozono son mejores oxidantes en algunos aspectos, pero implican más peligro y un mayor coste. Las bajas temperaturas de todos estos sistemas requieren un diseño especial de las bombas y otros componentes, y la corrosividad, la toxicidad y las características peligrosas del flúor y el ozono han impedido su uso en los sistemas operativos. Otros oxidantes que se han utilizado en operaciones son el ácido nítrico (HNO3), el peróxido de hidrógeno (H2O2) y el tetróxido de nitrógeno (N2O4), que son líquidos en condiciones ambientales. Aunque algunos son productos químicos algo nocivos, son útiles en aplicaciones en las que el cohete debe estar casi listo para disparar durante un largo período de tiempo, como en el caso de los misiles balísticos de largo alcance.

El hidrógeno líquido suele ser el mejor combustible desde el punto de vista de la alta velocidad de escape, y podría utilizarse exclusivamente si no fuera por el requisito criogénico y su muy baja densidad. A menudo se prefieren combustibles de hidrocarburos como el alcohol y el queroseno porque son líquidos en condiciones ambientales y más densos que el hidrógeno líquido, además de ser combustibles más «concentrados» (es decir, tienen más átomos de combustible en cada molécula). Los valores de la velocidad de escape están determinados por los efectos relativos de las mayores temperaturas de la llama (combustión) y las masas moleculares de los productos de reacción.

En la práctica, se han elegido diversos sistemas de propulsores en los principales sistemas, como se muestra en la tabla de propulsores líquidos. En los vuelos en los que se pueden utilizar propulsores criogénicos (por ejemplo, la propulsión de tierra a órbita terrestre), la mayoría de las veces se utiliza oxígeno líquido como oxidante. En las primeras etapas se emplea hidrocarburo o hidrógeno líquido, mientras que este último se suele adoptar para las segundas etapas. En los misiles balísticos intercontinentales y otros misiles guiados similares que deben estar listos para su lanzamiento en un plazo breve, se utilizan sistemas de propulsión no criogénicos (o «almacenables»), como, por ejemplo, una mezcla de combustible oxidante de tetróxido de nitrógeno e hidracina-dimetilhidracina asimétrica (también designada UDMH; 2 NNH2). Los sistemas de este tipo también tienen aplicación en vuelos de larga duración, como los del Sistema de Maniobra Orbital del transbordador espacial y el Módulo Lunar Apolo. Los motores sólidos han demostrado ser útiles en los vuelos de larga duración, pero a menudo se prefieren los sistemas líquidos debido a la necesidad de capacidad de arranque o de control del empuje.