1959年6月8日，一架光滑的黑色飞机从NASA NB-52B飞机上放飞，这是X-15火箭飞机的首次飞行。北美航空试飞员和工程师斯科特·克罗斯菲尔德(Scott Crossfield)坐在驾驶舱里，这次无动力试飞开启了一项为期10年的努力，实现了高超声速，探索了地球大气层的上边缘。

X-15火箭研究飞机是由北美航空洛杉矶分部为美国空军、美国海军和美国国家航空航天局建造的。这架飞机被设计用于在地球大气层之外的实际飞行条件下进行研究实验。

随着同时进行的水星载人航天计划，美国走上了进入太空的快车道，但缺乏实现这一目标所需的关键数据。X-15计划将被要求获得空气动力学加热、再入条件、加减速力以及人对失重的反应等方面的知识。

1959年9月17日，第一次动力飞行发生。尽管发动机部分发生了一次小型过氧化氢火灾，克罗斯菲尔德还是轻松地达到了2.1马赫和52341英尺(15954米)的高度。

单台XLR99发动机可以在85秒内燃烧18000磅(8165公斤)液氧和无水氨，1960年11月15日，美国空军试飞员罗伯特·怀特(Robert White)在第34次飞行中安装了该发动机，飞行速度达到4.4马赫，飞行高度为77450英尺(23607米)。

1963年8月22日，美国宇航局飞行员乔·沃克达到了创纪录的354200英尺(67英里，或108公里)的高度，在这次任务中，X-15超出了设计规格，为沃克赢得了宇航员的翅膀。

一个新的版本，被称为X-15A-2，设计飞行速度比音速快8倍，在100,000英尺(30,480米)的高度，创造超过2,400华氏度(1316摄氏度)的潜在温度，于1964年2月由洛杉矶工厂移交给美国空军。

X-15A-2的设计变化包括两个外部可抛射油箱，更长的主起落架，加长和降低的前起落架，机身延长29英寸，改进的风挡设计，外皮上的烧蚀材料，可拆卸的右翼尖接受测试材料，可拆卸的下垂直鳍允许安装冲压发动机和摄影实验的住宿。

空军上尉威廉·“皮特”·奈特驾驶X-15A-2在1967年10月3日的飞行中达到了该项目记录的最快速度，6.7马赫，飞行高度为102,100英尺(31,120米)。奈特的飞行速度是M-16自动步枪发射子弹速度的两倍，这个非官方的速度纪录直到1981年4月航天飞机以22马赫的速度重返大气层时才被打破。

X-15为航天飞机设计团队提供了高超声速飞行的宝贵信息，特别是如何使用有翼飞行器重新进入地球大气层，以及如何精确地降落低升阻无动力飞行器。

后来，两名X-15飞行员成为了美国国家航空航天局的宇航员——双子座和阿波罗计划的尼尔·阿姆斯特朗和指挥航天飞机的乔·恩格尔哥伦比亚1981年11月的第二次飞行(STS-2)发现1985年9月(STS-51I)。