Из всех исследовательских разработок компании «Норт Американ Авиэйшн» экспериментальный самолет с ракетным двигателем «Х-15» был наиболее удачным проектом. Самолет своей формой напоминал скорее ракету, чем привычное взору воздушное судно; его длина составляла 15,24 м, высота - 4,12 м, размах крыла - 6,71 м. 10 марта 1959 г. первый самолет Х-15 поднялся в воздух на подвеске переоборудованного военного самолета В-52А (Boeing В-52А), а 8 июня летчик-испытатель Скотт Кроссфилд на высоте 11 445 м совершил первое отделение и безмоторное планирование. Первый полет с работающим двигателем второй опытный образец самолета совершил 17 сентября 1959 г.

С 1955-го по 1961 г. Скотт Кроссфилд был инженером-конструктором, летчиком-испытателем и шеф пилотом испытательной группы компании «Норт Американ Авиэйшн». Во время первых экспериментальных полетов на «Х-15» он достиг скорости, соответствующей числу Маха = 2,97 (примерно 3690 км/ч) и поднялся на высоту 26 860 м.
Во время третьего испытательного полета «Х-15» в одной из камер двигателя произошел взрыв. Кроссфилд не смог сбросить топливные баки и попытался посадить перегруженный самолет. Во время быстрого снижения кабина пилота изнутри покрылась изморозью, и Кроссфилд продолжал полет вслепую. Летчик проявил находчивость, продышав в замерзшем стекле глазок. Получив, таким образом, обзор, он с трудом сумел посадить самолет. Во время касания земли избыточный груз обломил хвостовую часть машины. Кроссфилд, к счастью, не пострадал, а опытный «Х-15» позже был восстановлен.

Похожий случай произошел 8 июня 1960 г. во время наземных испытаний жидкостного ракетного двигателя «XLR-99» фирмы «Риэкшн Моторе» (Reaction Motors). Скотт Кроссфилд сидел в кабине самолета Х-15, когда отказ в работе клапана привел к катастрофическому взрыву. Вот как это происшествие описывал сам летчик-испытатель: «В одно мгновение произошло несколько ярких вспышек. Мне показалось, что я очутился внутри Солнца. Вокруг меня вспыхнул огонь такой силы, что все вокруг стало ярко-оранжевым. Передняя часть самолета просто исчезла, разлетевшись в радиусе тридцати футов. Тем не менее, я чувствовал себя в безопасности, потому что находился в кабине, которая была способна выдержать высокие температуры, возникающие при входе самолета в плотные слои атмосферы». И после этой страшнейшей аварии Скотт Кроссфилд вновь остался невредимым. 6 декабря он совершил свой четырнадцатый и последний полет на «Х-15», закончив тем самым программу испытаний, разработанную Соединенными Штатами.

Экспериментальный самолет с ракетным двигателем «Х-15» создавался в рамках программы, в ходе которой собирались данные об аэродинамических, структурных и других характеристиках системы управления полетом в диапазоне сверхзвуковых скоростей, а также изучались психофизиологические аспекты будущих космических полетов. Были собраны данные о сверхзвуковых воздушных потоках, аэродинамическом нагреве обшивки летательного аппарата, контроле и устойчивости полета при сверх- и гиперзвуковых скоростях, реактивном управлении в верхних слоях атмосферы, технике пилотирования при входе в плотные слои атмосферы, роли человеческого фактора и инструментального контроля полета. При пилотировании в плотных слоях атмосферы управление самолетом «Х-15» осуществлялось с использованием обычного аэродинамического контроля, но для полетов в верхних слоях атмосферы были разработаны системы реактивного управления.

Масса пустого самолета Х-15 составляла 6350 кг, максимальная взлетная - 15 422 кг. Один жидкостный ракетный двигатель «Риэкшн Моторе Тиокол XLR-99» (Reaction Motors Thiokol) был способен развить максимальную тягу величиной в 25 855 кг/с. Двигатель работал только в начале полета и притом всего лишь от 80 до 120 сек. Далее, в течение 10-11 мин, полет проходил по баллистической траектории и заканчивался приземлением со скоростью в 320 км/ч.
Самолет «Х-15» испытывала группа пилотов, состоявшая из 12 человек. Среди них был и Роберт Уайт, ставший первым пилотом, превысившим скорость звука в б раз. 17 июля 1962 г. он первым поднялся на высоту 95 км 936 м, превысив 50-мильную (80 467-метровую) отметку высоты, которая в ВВС США считается официальной границей космоса. В последствии Уайт так описывал свои впечатления: «Мои полеты на высоты в 66 140 м и 95 936 м были весьма запоминающимися, поскольку я мог непосредственно наблюдать земной шар... В наивысшей точке подъема я, обернувшись назад, убедился, что наша Земля и в самом деле круглая». Впоследствии президент Джон Кеннеди вручил одну из наиболее престижных авиационных наград - приз Национальной авиационной ассоциации США - «Коллиер Трофи» (National Aeronautic Association's Collier Trophy) Роберту Уайту и трем его товарищам: летчику-испытателю «Х-15» и сотруднику НАСА Джозефу Уолкеру, летчику-испытателю ВМС США Форресту Петерсену и летчику-испытателю «Норт Американ Авиэйшн» Скотту Кроссфилду.

В 1961 г. Джо Энгл начал подготовку в Школе летчиков-испытателей ВВС США. По окончании обучения новоиспеченный летчик-испытатель был зачислен в недавно организованную Аэрокосмическую школу пилотов-исследователей, которую закончил в 1963 г. и сразу же после этого был откомандирован на работы по программе «Х-15». Джо Энгл стал одним из летчиков-испытателей экспериментального гиперзвукового самолета с жидкостным ракетным двигателем. На самолете «Х-15» он выполнил 16 полетов и трижды превысил высоту в 50 миль, став самым молодым астронавтом Соединенных Штатов. В конце 1950-х гг. Уильям Найт работал по программе испытаний самолета «F-ЮО "Супер Сейбр"» и в 1960 г. стал одним из семи пилотов-астронавтов, отобранных для работы по программе испытаний пилотируемого космического самолета «Х-20 "Дайна Соар"» (Х-20Dyna-Soar). После закрытия проекта Найт был привлечен к испытаниям «Х-15».

3 октября 1967 г. на опытном образце с обозначением «Х-15А-2» он совершил полет, названный впоследствии «прыжок к краю зоны досягаемости». Высоко над пустыней Мохаве (пустыня на юго-западе США) «Х-15Л-2» отделился от самолета-носителя «Боинг В-52А», и Уильям Найт включил ракетный двигатель для набора высоты.
Как только внешние двигатели «Х-15А-2» прекратили работу, он сбросил на парашютах два пустых топливных бака и рванулся в верхние слои атмосферы, расположенные на высоте более чем 30 500 м.Двигатель работал в форсированном режиме более 140 с, и за это время «Х-15А-2» развил скорость, соответствующую числу Маха = 6,7 (примерно
6273 км/ч), что на сегодняшний день является высшим достижением для пилотируемых самолетов. Во время этого полета температура среды вокруг самолета превышала 1650° С.