X-15本質(zhì)上是一種帶有駕駛艙的火箭，它并不是設計用于從跑道起飛的，而是需要被特殊改裝的B-52轟炸機帶到高空中釋放。B-52轟炸機一般會(huì )從南加州的愛(ài)德華茲空軍基地起飛，并在45000米的高度將50英尺長(cháng)的X-15飛機釋放。

此時(shí)，X-15的飛行員才可以點(diǎn)燃火箭發(fā)動(dòng)機繼續爬升，直到飛出地球大氣層并進(jìn)入太空。X-15飛機將會(huì )在未知的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗，收集一些高超音速飛行的數據。當飛機燃料耗盡時(shí)，它就將開(kāi)始滑翔，這也是飛行員喜歡的環(huán)節。

這時(shí)候，X-15是一架非常重、非?？?、機翼非常小的滑翔機，每小時(shí)可以飛行數千英里。X-15的大部分設計都是為了能夠在高空滑翔，那里的空氣非常稀薄，傳統的空氣動(dòng)力學(xué)附件不再起作用。

因此，X-15飛機配備了反應控制系統，類(lèi)似于國際空間站使用的系統。它噴出大量的過(guò)氧化氫，本質(zhì)上是高濃度的氧化水，產(chǎn)生的少量推力。

在高空滑翔的過(guò)程中，由于空氣摩擦的原因，X-15的特殊鎳鉻合金外殼溫度可以達到648度，飛行員甚至能夠聽(tīng)到身后飛機灼燒的聲音。當飛行員把飛機降落在地面時(shí)，它已經(jīng)不是離開(kāi)基地時(shí)的那架飛機了，它的外殼都被高溫燒出了洞。

降落的問(wèn)題還不止這些，普通飛機的著(zhù)陸進(jìn)場(chǎng)速度為300公里每小時(shí)左右，X-15則需要以超過(guò)2400公里每小時(shí)的速度開(kāi)始降落。更糟糕的是X-15的前輪沒(méi)有轉向，主起落架只有滑行因此無(wú)法使用停機坪跑道，只能降落在干涸的湖床上。

這實(shí)際飛行的情況下，幾乎每次都會(huì )出現一些問(wèn)題，最嚴重是1967年11月15日，飛行員邁克爾·亞當斯在駕駛X-15飛機重返大氣層時(shí)發(fā)生旋轉，無(wú)法矯正飛機，飛機在空中解體，飛行員死亡。

盡管如此，X-15仍是飛行史“濃妝艷抹”的一筆。它的無(wú)數次實(shí)驗飛行收集了大量的實(shí)驗數據，飛行員皮特·奈特更是在1967年的飛行中創(chuàng )造了7274公里/小時(shí)的速度記錄，即 6.7 馬赫（音速的 6.7 倍）。