Двигатель XLR99 был первым крупным, перезапускаемым в полете ракетным двигателем на жидком топливе с изменяемой тягой. Управление тягой осуществляется в пределах от 50 до 100 процентов, а механизм перезапуска двигателя в полете гарантировал повторный запуск двигателя при его отключении в полете в целях экономии топлива. Двигатель XLR99 является одним из ракетных двигателей, устанавливаемых на пилотируемом исследовательском самолете X-15, который мог достигать космического пространства.

Разработка и сборка двигателя осуществлялась отделом Reaction Motors компании Thiokol Chemical Company. Он мог развивать максимальную тягу в 57000 фунтов (500000 л.с.). В качестве горючей жидкости в XLR99 использовались жидкий кислород и безводный аммоний. Горючая жидкость подавалась в камеру сгорания турбонасосами в количестве свыше 10000 фунтов в минуту.
Рабочий период двигателя XLR99 не превышает одного часа, однако после переборки двигатель может быть снова эксплуатироваться. На испытаниях двигатель выдерживал двухчасовой рабочий период. Так как самолет X-15 вмещал топлива на 83 секунды полета с работающим двигателем, а X-15A-2 - свыше чем на 150 секунд, двигатель XLR99 теоретически был расчитан на 20-40 полетов без переборки и капитального ремонта.

Стенки камеры сгорания двигателя XLR99 были выполнены таким образом, что прежде чем попасть в саму камеру сгорания, топливо сначало проходило внутри стенки и охлаждало ее. Сухая масса двигателя составляла 910 фунтов.