Bár mennyiségileg elenyésző, közismertség tekintetében a nitrometán legjelentősebb felhasználási területe üzemanyagként történik. Ezen belül is főként a gyorsulási versenyautók és a rádiótávirányítású modellek üzemanyaga. Mindkét esetben metanol/nitrometán keveréket használnak, de az elöbbiek üzemnyagának nitrometán tartalma elérheti a 90%-ot is, míg az utóbbiaknál ez az érték ritkán megy 30% fölé.A versenyzői szlengben csupán "nitro"-nak becézett (ezt a nevet kapta a dinitrogén-oxid is) folyadék óriási előnye a hagyományos benzinnel szemben, hogy égéséhez lényegesen kevesebb levegő szükséges.

Amíg minden egyes kg benzinhez 14,7 kg levegőt kell keverni, addig a nitrometán kg-onként megelégszik csupán 1,7 kg levegővel.
Egy dugattyús motornál ez azt jelenti, hogy a beszívott levegő változatlan mennyisége mellett 8,6-szer több nitrometán égethető el ütemenként.

Ugyanakkor figyelembe kell venni a lényegesen alacsonyabb égéshőjét is. Egy átlagos benzin kg-onként 42-44 MJ energiát szabadít fel égésekor, szemben a nitrometánnal, ami csupán 11,3 MJ-t. Mindezeket figyelembe véve tehát a nitrometánnal hajtott belső égésű motorok nagyjából 2,3-szer nagyobb teljesítmény leadására képesek a benzinnel hajtott társaikhoz képest.

Egy ilyen üzemanyaggal hajtott dragster motorjának összlökettérfogata manapság 8-8,5 liter, csúcsteljesítménye pedig meghaladja a 7-8000 lóerőt.Lamináris égési sebessége nagyjából 0,5 m/s, ami kevéssel nagyobb, mint a benziné. Ezért alkalmasabb nagy sebességű motorok hajtóanyagakának.
Adiabatikus lánghőmérséklete 2400 °C, ami szintén magasabb a benzinéhez képest, de nagy párolgáshője (0,56 MJ/kg) és az általában dús üzemanyag/levegő keverék miatt a nitrometán egyúttal a belsőégésű motor hűtéséért is felelős. Ennek a dús keveréknek a leglátványosabb megnyílvánulása, amikor egy-egy verseny alatt a kipufogócső végeken több méteres zöldes-sárgás lángcsóva csap ki.
A nitrometánt felhasználják egykomponensű folyékony rakéta-hajtóanyagként is. Ezt az a tulajdonsága teszi lehetővé, hogy külső oxigénforrás hiányában is képes égni.

Oldószerként pedig a pillanatragasztók (cianoakrilátok) gyártásához alkalmazzák.