Dinitrogen tetroksida
Penggunaan sebagai propelan roket

Dinitrogen oksida merupakan salah satu propelan utama yang digunakan saat ini dalam propulsi luar angkasa . Bahan bakar ini menggantikan asam nitrat yang awalnya digunakan sebagai oksidator dalam propelan mesin roket dengan bahan bakar seperti RP-1 , UDMH, atau MMH . Mesin dilindungi dari keasaman oksidator dengan menambahkan 0,6% hidrogen fluorida HF, yang agak mahal, sangat beracun dan berbahaya untuk ditangani. Asam nitrat digantikan oleh oksidan lain, terutama nitrogen peroksida. Peluncur ruang angkasa dan rudal balistik mulai menggunakannya pada akhir 1950-an, ketika Amerika Serikat dan Uni Soviet memilihnya sebagai oksidator, membentuk propelan cair hipergolik yang dapat disimpan dengan hidrazin dan turunannya —  terutama hidrazin hidrat , MMH, UDMH, Aerozine 50 dan UH 25 .
Disebut NTO (untuk Nitrogen Tetroksida ) dalam konteks propulsi ruang angkasa , nitrogen peroksida adalah oksidator yang paling sering digunakan dalam mesin hipergolik . Oleh karena itu, ia digunakan pada sejumlah besar tahap bawah yang dirancang pada tahun 1960-an, seperti peluncur Proton Rusia, tahap Fregat pada peluncur Soyuz dan Zenit Rusia, dan roket Long March Cina . Pada tahap ini, oksigen cair digantikan oleh oksigen cair pada peluncur yang dirancang kemudian. Ia masih sangat sering digunakan pada tahap atas yang, meskipun bersifat toksisitas , tetap mempertahankan propelan hipergolik karena mudah disimpan dalam tangki peluncur dan memungkinkan penyalaan berulang kali, seperti mesin manuver orbital (OMS) pesawat ulang-alik NASA , tahap propelan yang dapat disimpan (EPS) Ariane 5 , atau peluncur GSLV India , mesin yang memungkinkan penyisipan ke orbit wahana antariksa ,  dll.
Bila digunakan sebagai propelan pengoksidasi (oxidizer), nitrogen peroksida umumnya dicampur dengan persentase kecil nitrogen monoksida N≡O untuk membatasi efek korosifnya pada paduan titanium yang digunakan dalam sistem propulsi pesawat ruang angkasa  : ini disebut MON ( untuk Campuran Oksida Nitrogen ) ; Pesawat ulang alik WHO, misalnya, menggunakan MON-3, pada 3% N≡O (fraksi berat).
Nitrogen tetroksida digunakan sebagai oksidator dalam salah satu sistem propelan roket yang paling penting karena dapat disimpan sebagai cairan pada suhu kamar. Pedro Paulet , seorang polymath Peru , melaporkan pada tahun 1927 bahwa ia telah bereksperimen pada tahun 1890-an dengan mesin roket yang menggunakan nosel pegas yang secara berkala memasukkan nitrogen tetroksida yang diuapkan dan bensin minyak bumi ke busi untuk pengapian, dengan mesin mengeluarkan 300 ledakan berdenyut per menit. Paulet akan terus mengunjungi asosiasi roket Jerman Verein für Raumschiffahrt (VfR) dan pada tanggal 15 Maret 1928, Valier memuji desain roket berbahan bakar cairan Paulet dalam publikasi VfR Die Rakete , dengan mengatakan mesin itu memiliki "kekuatan yang luar biasa".  Paulet segera didekati oleh Nazi Jerman untuk membantu mengembangkan teknologi roket, meskipun ia menolak untuk membantu dan tidak pernah membagi formula untuk propelannya.
Pada awal 1944, penelitian tentang kegunaan dinitrogen tetroksida sebagai agen pengoksidasi untuk bahan bakar roket dilakukan oleh ilmuwan Jerman, meskipun Jerman hanya menggunakannya dalam jumlah yang sangat terbatas sebagai aditif untuk S-Stoff (asam nitrat berasap). Ini menjadi oksidator pilihan yang dapat disimpan untuk banyak roket di Amerika Serikat dan Uni Soviet pada akhir 1950-an. Ini adalah propelan hipergolik dalam kombinasi dengan bahan bakar roket berbasis hidrazin . Salah satu penggunaan paling awal dari kombinasi ini adalah pada keluarga roket Titan yang awalnya digunakan sebagai ICBM dan kemudian sebagai kendaraan peluncur untuk banyak pesawat ruang angkasa. Digunakan pada pesawat ruang angkasa Gemini dan Apollo AS dan juga pada Pesawat Ulang Alik , ini terus digunakan sebagai propelan penjaga stasiun pada sebagian besar satelit geostasioner, dan banyak wahana antariksa dalam. Ini juga merupakan oksidator utama untuk roket Proton Rusia .
Ketika digunakan sebagai propelan, dinitrogen tetroksida biasanya disebut sebagai nitrogen tetroksida dan singkatan NTO digunakan secara luas. Selain itu, NTO sering digunakan dengan penambahan persentase kecil oksida nitrat yang bereaksi membentuk dinitrogen trioksida , yang menghambat retak korosi tegangan pada paduan titanium, dan dalam bentuk ini, NTO tingkat propelan disebut sebagai oksida nitrogen campuran ( MON ) dan dapat dibedakan dengan warna hijau-birunya. Penambahan oksida nitrat yang lebih besar, hingga 25-30%, juga menurunkan titik beku NTO, meningkatkan daya simpan dalam kondisi ruang angkasa. Sebagian besar wahana antariksa sekarang menggunakan MON sebagai ganti NTO; misalnya, sistem kendali reaksi Pesawat Ulang Alik menggunakan MON3 (NTO yang mengandung 3% NO menurut beratnya).