Dès la fin des années 1970, la nécessité d'un gros moteur cryotechnique est apparue pour les générations de lanceurs post-Ariane 4.
La phase préliminaire du développement du moteur Vulcain a été lancée le premier octobre 1984 pour assurer la propulsion de l'étage principal du lanceur Ariane 5. Le développement proprement dit a débuté le premier janvier 1988 après décision des ministres européens sur les programmes Ariane 5, Hermes et Colombus.

 Les principaux sous-systèmes ont comencé leurs éssais en 1988. La mise au banc du premier moteur a eu lieu le 4 avril 1990 et a permis l'atteinte du régime nominal en décembre 1990. Le premier vol automatique a été effectué en juin 1996 lors du vol expérimental d'Ariane 5.

 La poussée est obtenue par éjection à grande vitesse de gaz produits par la combustion, sous pression, d'oxygène et d'hydrogène liquide (LOX/LH2). Plus précisément, ces ergols cryogéniques introduits à travers un injecteur frontal à 516 éléments coaxiaux, brûlent sous une pression de 100 bars; ils sont ensuite accélérés à travers une tuyère qui se prolonge, au-delà du col, par un divergent rapporté.

 Le refroidissement de la chambre et du col, d'un seul tenant, est obtenu par circulation en double paroi, à travers 360 canaux longitudinaux, du débit principal d'hydrogène (refoidissement régénératif). Le divergent rapporté est plus simplement refroidi à l'aide d'un débit additionnel d'hydrogène.

 L'alimentation du moteur en ergols à haute pression se fait par deux turbopompes indépendantes :

• La turbopompe hydrogène tourne à 34 900 tr/min et développe une puissance de 11,9 MW. Elle est constituée d'une pompe à deux étages centrifuges associés à un inducteur axial et d'une turbine supersonique à deux étages.
• La turbopompe oxygène tourne à 13 500tr/min, elle développe une puissance de 3,3 MW.