1955年12月北美首席工程师哈里森•斯托姆斯开始领导X-15研制工作。他们设计出一个具有极短机翼的大飞镖，它长15.5米，翼展6.7米，发射重量17240千克，由B-52搭载在高空发射。

　　X-15的机身修长而光滑，除了有个相当突兀但非常必要尾翼组件外，看上去就是一枚有人驾驶火箭。这架飞机基本上就是一个飞行的火箭燃料箱，只是在尾部安装了一台火箭发动机，在头部放进了一名飞行员。

　　该机中置梯形后掠翼的翼展只有6.81米，除后缘襟副翼外没有其他可动操纵面。该机不同寻常的尾翼组件集成了稳定尾翼和气动操控面，与传统飞机相比，垂尾和腹鳍又大又厚，截面呈楔形，前缘锋利，后缘为一个平面，能高超音速飞行和再入过程中提供必要的稳定性。

　　X-15的垂尾和腹鳍上还集成了大型全动方向舵，一个在垂尾顶部，一个在腹鳍底部，垂尾和腹鳍根部两侧还安装了减速板。后机身两侧是两片下反全动平尾，提供俯仰和滚转控制。

　　X-15座舱内部空间实际上比当时大多数战斗机都大。这个座舱的视野极其有限，飞行员只能通过两片楔形风挡玻璃看到前方和两侧的有限区域，无法以机鼻和机翼作为视觉姿态参考，想要看见地面就只能压坡飞行。所以在X-15降落的最后阶段，跟踪机上的飞行员会持续向X-15飞行员通报高度和其他参数，帮助他安全降落。X-15座舱后方是一个大型仪器舱，用于进行各种科学实验，为未来太空项目收集有用信息。

　　该机装有一组被称为“反应推进器”的过氧化氢小火箭来控制姿态。X-15共有12个反应推进器、机翼上4个，机鼻上8个。它最大速度可以达到6.72马赫，是迄今为止人类研制的速度最快的有人驾驶飞机。

　　B-52轰炸机挂载着X-15从加州爱德华兹空军基地起飞，准备飞到犹他州的发射点进行发射。这架火箭飞机主要使用钛合金制造，要承受气动摩擦加热的机翼前缘和鼻锥使用名为“因科内尔-X”的材料制造，这是一种铬镍铁特殊耐热合金。

　　北美公制造了三架X-15A-1火箭飞机，飞到了6.7马赫（7280千米/时）的最大速度和108千米的最大高度。有8名驾驶X-15飞到76千米高空之上的飞行员获得了宇航员之翼徽章。一架X-15A-1在着陆时出了事故导致机身折断，幸好飞行员毫发无损。这架飞机被重建为X-15A-2，增加了大型外部油箱以延长发动机的工作时间，向更高的速度和高度冲刺。

　　但是X-15在1967年11月15日的最后一次任务中发生了重大事故，飞机在高空解体，飞行员迈克尔•亚当斯少校遇难。随后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。现在俄亥俄州代顿的美国空军博物馆保存着一架幸存的X-15，另一架保存在华盛顿特区的史密森博物馆。