Vista frontale del muso del North American X-15-3 con la tipica colorazione nera.

Per il programma che ha dato vita all'X-15 non è facile stabilire un "punto di partenza": in esso, infatti, sono confluite diverse idee che si svilupparono più o meno contemporaneamente anche se importante fu l'ingresso alla Bell, nel 1950, di Walter Dornberger che coinvolse il direttore tecnico Robert J. Woods nel progetto di un "aereo spaziale".
L'8 gennaio 1952 Woods inviò alla commissione aerodinamica del NACA una memoria di Dornberger nella quale si ipotizzava un aereo destinato ad essere portato in quota da un B-47 e in grado di superare Mach 6. L'idea fu discussa il 21 maggio 1952 e in quell'occasione se ne cominciò ad esaminare la fattibilità, gettando le basi per il programma X-15.

Il 3 maggio 1954 il NACA era giunto alle linee generali di uno studio di fattibilità al quale il 4 ottobre aderì l'USAF che lo indicò come MX-1226. Il successivo appalto fu vinto dalla North American che assegnò a Charles H. Feltz la guida del progetto NA-240 (sotto la direzione generale di Harrison Storms e con la collaborazione di Roland L. "Bud" Benner e Rawn Robinson). Per la propulsione furono giudicate più promettenti le proposte della Reaction Motors con l'XLR10 e l'XLR30 (derivato dal motore del razzo per ricerche Viking) ed il progetto dell'X-15 fu basato su questo secondo impianto. Il 6 marzo 1956 questo razzo azionato da turbopompe fu designato TR-139 dal gruppo Thiokol (del quale faceva parte la Reaction Motors) mentre per l'USAF divenne XLR99-RM-1 Pioneer. L'11 giugno 1956, infine, la North American ebbe il contratto per la costruzione di tre esemplari (s/n AF 56-6670, 56-6671 e 56-6672) per un ammontare complessivo di 39 milioni di dollari.

La Reaction Motors si trovò in difficoltà con l'XLR99, in quanto modificare il propulsore già disponibile per adattarlo al nuovo impiego si rivelò un compito particolarmente laborioso per cui l'USAF decise di ricorrere a due E-6000C-4 o XLR11-RM-9, già usati dall'X-1.

L'X-15 fu definito un "prototipo per le astronavi".

Per lanciare gli X-15 furono modificati due B-52 (il B-52A s/n 52-003 e l'RB-52B s/n 52008, il secondo tuttora in servizio) che divennero NB-52. Il primo X-15 fu trasferito sulla Edwards Air Force Base (California) via terra e poté iniziare le sue prove in volo solo il 10 marzo, quando fu portato in aria dall'NB-52A. A bordo vi era il collaudatore della North American A. Scott Crossfield. L'8 giugno, sempre con Crossfield, vi fu il primo volo planato dell'esemplare 670 (s/n 55-6670) nel cielo della Edwards AFB. Per il primo collaudo con il motore in funzione fu utilizzato il secondo aereo (671) in quanto il primo si era incidentato durante la manutenzione. Il gran giorno arrivò il 17 settembre 1959, quando l'X-15-2 fu sganciato dall'NB-52A.
L'X-15-1, come si è detto, è stato il secondo a volare a propulsione inserita; intanto, il 5 novembre 1959, a conclusione del terzo volo con propulsione in funzione, l'X-15-2 aveva compiuto un atterraggio in emergenza a seguito di un principio d'incendio ad un motore e la fusoliera si era piegata in due. La riparazione era comunque possibile e l'aereo tornò a volare l'11 febbraio 1960, quando raggiunse 26.858 m.

L'8 giugno 1960, l'X-15-3, durante una prova a terra del motore XLR99 (montato sin dall'inizio) esplose, spezzandosi in due; il 17 giugno, però, fu consegnato un secondo motore che poté essere installato sull'X-15-2 che andò in volo con esso il 15 novembre (sempre con "Scotty" Crossfield ai comandi). L'ultimo volo con gli XRL11 fu effettuato dall'X-15-1 pilotato dal Capt. Robert M. White il 7 febbraio 1961, chiudendo in bellezza a Mach 3,5.
Un mese dopo, il 7 marzo, White portò l'X-15-2/XLR99 a Mach 4,4 (4.704 km/h, 4.675 secondo altre fonti). Con il volo successivo, il 30 marzo, fu ottenuto il primato non ufficiale di quota con decollo effettuato mediante aereo-madre con 51.694 m. L'11 ottobre White poté migliorare ancora questo risultato salendo a 66.140 m. Fino a quel momento nessun veicolo alato e pilotato aveva volato così in alto e così veloce. La velocità di progetto (Mach 6), per la precisione 6,04 (6.413 km/h, 6.587 secondo altre fonti), fu raggiunta il 9 novembre 1961.

Tre piloti collaudatori dell'X-15 ricevettero l'Harmon trophy: da sinistra a destra J.A. "Joe" Walker, R. White ed A. Scott Crossfield, vicini all'X-15.

Il 20 dicembre 1961 poté volare l'X-15-3, pilotato da Neil A. Armstrong. La tangenza teorica contrattuale fu verificata da Joseph A. Walker che il 30 aprile 1962 raggiunse i 75.200 m. Il 17 luglio questa "performance" fu migliorata ed ufficializzata dalla Fédération Aéronautique Internationale quando il Maj. "Bob" White toccò i 95.936 m. "Joe" Walker ottenne un risultato ancora più eccezionale il 22 agosto 1963 con 107.960 m, primato del quale, però, la NASA non chiese l'omologazione.

Intanto, il 9 novembre 1962, John B. McKay aveva effettuato con l'X-15-2 un atterraggio d'emergenza sul Mud Lake, riportando danni gravissimi. NASA, USAF e Navy decisero di ricostruire la macchina (come X-15A-2), allo scopo di ampliare ulteriormente l'inviluppo di volo fino a Mach 7-8, utilizzando la cellula rifatta come banco-prova per nuovi tipi di propulsori.

L'X-15A-2 presentava diverse modifiche, come la fusoliera più lunga di 73 cm, il parabrezza con due elementi ovali e due enormi serbatoi supplementari esterni, uno per 3.941 litri di ammoniaca anidra ed uno per 2.864 litri di ossigeno liquido.
L'aereo ricostruito giunse sulla Edwards AFB il 18 febbraio 1964 e volò il 25 giugno, pilotato dal Maj. Robert Rushworth ma solo il 3 novembre 1965 furono montati i serbatoi esterni.

Un pilota nell'abitacolo dell'X-15 per cui si richiedeva l'uso di una tuta a presurizzazione integrale.

A differenza degli X-15 nella configurazione originale, l'esemplare modificato non raggiunse la velocità per la quale era stato realizzato, anche se vi si avvicinò molto: il 18 novembre 1966 il Capt. William J. Knight arrivò a Mach 6,33 (6.721 km/h, secondo altre fonti 6.840 km/h) e meno di due anni dopo, il 3 ottobre 1967, con lo stesso collaudatore, i serbatoi esterni, una nuova vernice ablativa anticalore bianca nonché il simulacro di uno statoreattore alla base della deriva ventrale, l'X-15A-2 toccò la velocità più alta di tutto il programma: Mach 6,72 circa (7.114 km/h, secondo altre fonti 7.274 o 7.297 km/h) a 31.120 m.

Purtroppo, ci fu un grave incidente: il 15 novembre 1967 l'X-15-3, pilotato dal Maj. Michael J. Adams, entrò in vite a Mach 5,20 e precipitò per 32 km, disintegrandosi ed uccidendo il pilota.
L'X-15A-2, dopo il primato di velocità, era stato accantonato e ceduto all'Air Force Museum sulla Wright-Patterson AFB di Dayton (Ohio); l'X-15-1 compì l'ultimo volo il 24 ottobre 1968 e fu poi donato al National Air & Space Museum di Washington. Il programma si era concluso dopo 199 voli in nove anni.

Per lanciare l'X-15 furono allestiti due B-52, un NB-52A ed un NRB-52B.

North American X-15 (NA-240)

Aviorazzo suborbitale per ricerche, monoposto
Impianto propulsivo: due motori razzo Reaction Motors XLR11-RM-5 a quattro camere da circa 3.600 kg/s o un XLR99-RM-2 Pioneer da 22.680 kg/s a quota zero più 12 razzi di manovra Bell HTP da 50 kg/s circa.
Dimensioni: apertura alare 6,70 m; lunghezza 15,24 m; altezza 4,11 m; superficie alare 18,6 mq.
Pesi: a vuoto 6.800 kg circa; totale 15.105 kg.
Prestazioni: velocità massima 7.114 km/h a 31.120 m (Mach 6,7); tangenza assoluta 107.960 m; autonomia media 442 km.