Originalmente el turbofan Kuznetsov NK-8, motor del avión de pasajeros IL-62, fue usado como base para el diseño del motor para el primer SST. Después de varias actualizaciones y más de mil horas de pruebas, el nuevo motor fue una realidad como el Kuznetsov NK-144, un motor turbofan de 2 cuerpos con 14 etapas de compresión, 3 en el área de baja presión y 11 en la zona de alta presión. Cuatro de estos motores pusieron en el aire el primer SST de la historia el 31 de diciembre de 1968 y convirtieron al Tu-144 en el primer avión de pasajeros en superar Mach 2,0.

A pesar de estos logros, el NK-144 no cumplió con las expectativas depositadas en él. Si el Tu-144 quería ser usado en rutas largas era necesario un mejor rendimiento en consumo de combustible. Después de la realización de un gran número de vuelos de prueba, el Consumo Específico de Combustible fue establecido en 2,23 kg/hr y el rango de vuelo del avión quedó limitado a 2.920 km, demasiado lejos de lo esperado y deseado para un avión de pasajeros.

Buscando un mejor rendimiento, el motor NK-144 fue actualizado al modelo NK-144A, una versión mejorada usada en el Tu-144S con mejores prestaciones. El Consumo Específico de Combustible se redujo a 1,81 kg/hr haciendo posible un mayor rango de vuelo, pero estos motores todavía tenían un gran problema. El nuevo modelo Tu-144S era mayor y más pesado que el prototipo y era necesario mantener los post-quemadores encendidos para mantener la velocidad Mach 2,0, produciendo un alto consumo de combustible.

Como las limitaciones del motor NK-144 eran conocidas desde que se decidió usarlo, fue al final de los años sesenta cuando se tomó la decisión de desarrollar un nuevo motor para el Tu-144. Para esa tarea fue elegido un nuevo fabricante, la compañía fue Kolesov y el nuevo motor fue el RD-36-51A. Las primeras pruebas con estos nuevos motores en el Tu-144 fueron hechas en 1973 cuado el avión CCCP-77105 fue equipado con ellos. Después de 1978 la producción de aviones se hizo con este motor y al nuevo modelo se le llamó Tu-144D. El RD-36-51A era un motor turbojet con 2 ventiladores y 14 áreas de compresión. Gracias a un bajo Consumo Específico de Combustible de 1,26 kg/hr el Tu-144D alcanzó finalmente el rango previsto y el rendimiento deseado para un SST.

Cuando en 1993 Tupolev y la NASA firmaron un acuerdo para usar un Tu-144 como banco de pruebas para experimentos de investigación, los motores RD-36-51A ya no se fabricaban y fue necesario su reemplazo. Para poner los nuevos motores en el avión se rediseñaron las góndolas porque éstos eran más largos que el modelo anterior. Después de la actualización el avión fue designado como Tu-144LL Laboratorio Volante.

El motor elegido fue el turbofan de bajo bypass NK-321, una versión mejorada de los motores del bombardero Tu-160. Este nuevo motor tenía 3 cuerpos y 12 áreas de compresión, 5 en el área de baja presión y 7 en la zona de alta presión. Todos los vuelos de prueba fueron realizados sobre territorio ruso porque ese motor estaba catalogado como secreto militar. Esos motores transformaron al Tu-144 en una excelente herramienta para el logro de los objetivos de los experimentos.

Un punto en común en todos los modelos de motores usados en el Tu-144 es que todos ellos estaban equipados con un sistema de postcombustión o postquemadores. Este es un sistema que inyecta combustible directamente en el tubo de chorro de gases del motor, produciendo su inflamación y proveyendo al avión de un empuje extra necesitado en el despegue o cuando se desea velocidad Mach 2,0.

Otra característica común de todos los motores del Tu-144 fue la ausencia de inversores de empuje, esto convirtió al Tu-144 en uno de los últimos aviones de pasajeros que usaban paracaídas como freno para parar después del aterrizaje. Un doble paracaídas de frenado era desplegado desde una estructura cónica bajo la cola del avión justo en el momento en que tocaba la pista.

Es uso de este sistema de frenado era necesario si el Tu-144 quería parar después del aterrizaje en los 1.900 metros que le permitían operar en los principales aeropuertos del mundo. Además del paracaídas de frenado, el Tu-144 estaba equipado con un sistema de frenos de carbono accionados hidráulicamente que ayudaban en la tarea de parar el avión después del aterrizaje.

Equipar el Tu-144 con inversores de empuje fue siempre un objetivo para los diseñadores de Tupolev. Cuando se les preguntaba acerca de esa posibilidad ellos contestaban que estaba planeado instalarlos en los dos motores externos (números 1 y 4) en futuras versiones del Tu-144. En la imagen de la izquierda (del avión CCCP-77115) es posible ver palancas de reversa en los aceleradores de los motores 1 y 4. Esto muestra que el modelo Tu-144D estuvo muy cerca de ser equipado con un sistema de inversores de empuje.

En el Tu-144 cada motor estaba provisto de su propia toma de aire, incluso después de la instalación de las dobles góndolas separadas en el avión de pre-producción. Originalmente los cuatro motores NK-144 estaban montados lado a lado pero, debido a problemas con vibraciones y alta temperatura en la cabina, los siguientes modelos del Tu-144 tuvieron dos góndolas separadas albergando dos motores cada una, ambas posicionadas cerca del centro del avión para garantizar las mayor longitud posible de las tomas de aire.

Estas largas tomas de aire tienen en su interior el sistema de rampas necesario para reducir la velocidad del flujo de aire de velocidades superiores a Mach 2,0 a un nivel adecuado para los motores. Un sistema de rampas más sofisticado hubiera posibilitado una reducción de la longitud de las tomas de aire.

Dentro de las tomas de aire una rampa horizontal interna varía de una posición arriba a velocidades por debajo de Mach 1,25 a completamente abajo a Mach 2,0. Tres choques se producen en la entrada durante el vuelo supersónico a fin de frenar el flujo de entrada hasta velocidades subsónicas. Cada toma de aire estaba operada por un sistema de control automático que podría cambiar la posición de la rampa y de la aleta de by-pass dependiendo de la configuración del motor.