X-15在整个服役期间先后使用过两种不同的飞控系统：第一种有三根不同的操纵杆，第二种精简到一根操纵杆。在第一种系统中，除了传统中置操纵杆和方向舵踏板外，右侧控制台上还有一根与方向舵交联的侧杆。这根侧杆最初被设计用于大过载飞行，但飞行员实践下来觉得侧杆比中置操纵杆还要好用，于是此后只使用侧杆，使中置操纵杆变成了多余。第三根操纵杆是位于左侧控制台上的另一根侧杆，用于控制反推力系统，可以手动或自动模式操作。后一种模式会同时启动反推力增强系统（RAS），帮助X-15在高空进行稳定飞行，一般用于动力飞行期间。
X-15-1的座舱内有三根不同的操纵杆
第二架X-15更换了霍尼韦尔公司的MH-96飞控系统，把操纵杆数量减少到了一根，将气动和反推力控制功能合二为一，可根据飞行状态自动控制。第三架X-15-3同样安装了这种飞控，并且改进了从气动飞行过渡到太空飞行以及大气层再入的控制精度，同时还降低了飞行员的工作量。结果，X-15-3被用于执行所有高度超过82300米的试飞任务。
第二架X-15更换了霍尼韦尔公司的MH-96飞控系统，把操纵杆数量减少到了一根
飞向高边疆
第一架X-15（X-15-1）在1959年6月8日完成首飞，由一架B-52母机携载升空，释放后进行了4分56秒的无动力滑翔飞行。首飞试飞员是斯科特·克罗斯菲尔德，他是一名前NACA试飞员，现为北美航空工作。作为过渡方案，X-15-1和X-15-2都先安装上反应发动机公司的XLR11发动机。1959年9月17日，克罗斯菲尔德驾驶X-15-2完成了首次动力飞行。
斯科特·克罗斯菲尔德
发射后直线爬升的X-15
作为过渡方案，X-15-1和X-15-2都先安装上反应发动机公司的XLR11发动机
X-15-2在1959年11月5日进行第三次飞行，飞机在13400米与母机分离后，克罗斯菲尔德在启动发动机时一个下方燃烧室爆炸并燃起大火，于是驾驶飞机紧急迫降在罗莎蒙德干湖床。由于大火造成结构损伤，X-15-2的机身在前起落架触地时折断，幸运的是飞行员毫发无伤。虽然出了这么大的事故，X-15-2在三个月内就被修复，准备好再次飞行。
没有安装发动机的X-15-3在1959年6月29日抵达爱德华兹空军基地，随后在1960年装上了全新的XLR99火箭发动机。同时，X-15-2退出试飞去换装新发动机。1960年6月8日，X-15-3进行第二次地面试车，由于一个小部件发生故障导致发动机爆炸，整个后机身被炸毁，座舱里的克罗斯菲尔德幸运逃脱。
新发动机的首次试飞发生在1960年11月15日，克罗斯菲尔德驾驶X-15-2以14000米/0.83马赫的状态与母机分离。虽然他只开了一半推力，X-15-2还是直冲云霄并一直加速到2.97马赫，爬升到24750米高空。X-15-3在修复完毕后于1961年12月做了首次飞行，试飞员是尼尔·阿姆斯特朗，这是X-15项目的第46次飞行。
X-15-2脱离载机后开启XLR99发动机
尼尔·阿姆斯特朗与X-15
此后项目渐入佳境，XLR99暴露出的问题被一一解决，证明了自己是一台优秀的火箭发动机。X-15团队向高边疆挺近。
但这不意味着试飞会平安无事，1962年11月9日，约翰·“杰克”·麦凯驾驶X-15-2试飞，他无法获得火箭发动机的全部推力，XLR99对油门控制没有反应，卡在了30%推力状态。于是麦凯驾机迫降，结果X-15-2在迫降中发生翻滚，飞机被严重损坏，麦凯也身受重伤。X-15-2在维修重建期间被升级成X-15A-2，并在1964年6月进行了新构型的首次飞行。X-15A-2的机身加长了73.66厘米，腹鳍下方可增加一台冲压喷气发动机，机身两侧可挂两个燃料箱。
麦凯驾机迫降，结果X-15-2在迫降中发生翻滚，飞机被严重损坏，麦凯也身受重伤
X-15-2在维修重建期间被升级成X-15A-2
X-15A-2的机身加长了73.66厘米，腹鳍下方可增加一台冲压喷气发动机，机身两侧可挂两个燃料箱
X-15A-2的尾部修改
X-15项目在第191次飞行中遭遇首次死亡事故，X-15-3在高超音速飞行中陷入螺旋，后机身断裂，飞机在40秒内下降了30000米，导致飞行员麦克·亚当斯遇难。
迈克尔•亚当斯少校
X-15-3的后机身残骸 在X-15-2维修重建期间，X-15-1又完成了8次飞行。此时有人开始质疑X-15项目付出如此高昂的代价是否值得，且不论巨大的飞行风险，该机每次发射的费用就估计高达60万美元。1966年，NASA同意承担X-15项目的大部分费用，但直到1968年底才被批准，看起来留给X-15项目的时间不多了。
由于维修和天气问题，在1968年下半年完成第200次飞行的计划被推迟了10次，直到最后也没有实现。12月20日，X-15被从B-52的机翼下方卸下，在完成了199次飞行后（最后一次由比尔·达纳驾驶在10月24日进行），X-15项目宣告结束。
飞行员
克罗斯菲尔德完成工厂试飞把X-15移交给NASA后，还有其他11名试飞员驾驶过X-15，其中5人来自美国空军，1人来自美国海军，5人来自NASA。毫无疑问他们都是太空先锋，同时也是杰出的工程师和飞行员。
毫无疑问他们都是太空先锋，同时也是杰出的工程师和飞行员 后来，这批飞行员中有的为NASA的未来太空项目做出了贡献，有的在先进飞机研制项目中继续担任试飞员，有的则返回部队并参加越战。其中就有在1069-71年间担任“企业”号航母舰长，后来官至海军上将的福雷斯特·彼得森，他一生参加了二战、朝鲜战争和越南战争这三次战争。尼尔·阿姆斯特朗担任了“双子座8”和“阿波罗11”两次任务的指挥官，并成为了登月的第一人。乔·恩格勒成为航天飞机试飞员，并担任航天飞机STS-2和STS-51-1两次任务的指挥官。
创纪录
8名不同的飞行员完成的13次飞行符合美国空军的太空飞行规定，也就是高度达到50英里（80公里）。他们中的美国空军飞行员被授予了宇航员之翼资格章，但平民飞行员们直到2005年才获得了同样的认可。
宇航员之翼徽章 不过这13次飞行中只有两次被国际航空联合会（FAI）承认为是高度超过100公里的太空飞行，这两次飞行都由约瑟夫·沃克驾驶X-15-3完成的。其中第一次是1963年7月进行的第90次飞行，高度达到了106公里。一个月后，沃克在第91次飞行飞到了108公里高度，让X-15成为名副其实的太空飞机。直到近20年后，这个纪录才被进入地球轨道的“哥伦比亚”号航天飞机打破。
X-15-3负责创造高度纪录，X-15-2则成为了速度神话。1961年6月23日，罗伯特·怀特驾驶X-15-2在第38次飞行中成为地球上第一名飞行速度超过5马赫的飞行员，达到了5.27马赫（5802公里/小时）。几个月后，怀特驾驶同一架飞在11月9日的第45次飞行期间，创造了6.04马赫（6586公里/小时）的新纪录。
X-15-3负责创造高度纪录，X-15-2则成为了速度神话
怀特在11月9日的6.04马赫飞行中遭遇左侧风挡玻璃碎裂事故 这个速度纪录在6年后的X-15项目第188次飞行被打破，1967年10月3日，彼得·奈特驾驶升级后的X-15A-2飞出了载人飞机的最快速度——6.7马赫（7275公里/小时）。作为对比，安装吸气式发动机的有人驾驶飞机的最快速度不到一半，也就是洛克希德SR-71“黑鸟”在1976年7月创造的3528公里/小时。
遗产
X-15项目被认为达到并超过了预期目标，非常巨大成功，但费用严重超支，比原先估计的1070万美元高出近30倍。在原定目标中，X-15的速度和高度要求分别是6马赫/76.2公里，机身表面温度650度，结果实际达到6.7马赫/108公里，表面温度732度，表面气动压强超过1.074千克/平方厘米。
X-15 5马赫飞行时的机身表面温度分布（华氏度）
事实上美国在为把人类送入太空而努力的日子里就把该机视为一种潜在的载人轨道器，增强耐热性能并安装在运载火箭顶部发射