1955年12月北美首席工程師哈里森•斯托姆斯開始領導X-15研製工作。 他們設計出一個具有極短機翼的大飛鏢， 它長15.5米， 翼展6.7米， 發射重量17240千克，
X-15的機身修長而光滑， 除了有個相當突兀但非常必要尾翼元件外， 看上去就是一枚有人駕駛火箭。 這架飛機基本上就是一個飛行的火箭燃料箱， 只是在尾部安裝了一台火箭發動機， 在頭部放進了一名飛行員。
該機中置梯形後掠翼的翼展只有6.81米， 除後緣襟副翼外沒有其他可動操縱面。 該機不同尋常的尾翼組件集成了穩定尾翼和氣動操控面， 與傳統飛機相比， 垂尾和腹鰭又大又厚， 截面呈楔形， 前緣鋒利， 後緣為一個平面， 能高超音速飛行和再入過程中提供必要的穩定性。
X-15的垂尾和腹鰭上還集成了大型全動方向舵， 一個在垂尾頂部， 一個在腹鰭底部， 垂尾和腹鰭根部兩側還安裝了減速板。 後機身兩側是兩片下反全動平尾， 提供俯仰和滾轉控制。
X-15座艙內部空間實際上比當時大多數戰鬥機都大。 這個座艙的視野極其有限， 飛行員只能通過兩片楔形風擋玻璃看到前方和兩側的有限區域， 無法以機鼻和機翼作為視覺姿態參考， 想要看見地面就只能壓坡飛行。 所以在X-15降落的最後階段， 跟蹤機上的飛行員會持續向X-15飛行員通報高度和其他參數， 幫助他安全降落。
該機裝有一組被稱為“反應推進器”的過氧化氫小火箭來控制姿態。 X-15共有12個反應推進器、機翼上4個， 機鼻上8個。 它最大速度可以達到6.72馬赫， 是迄今為止人類研製的速度最快的有人駕駛飛機。
B-52轟炸機掛載著X-15從加州愛德華茲空軍基地起飛，準備飛到猶他州的發射點進行發射。這架火箭飛機主要使用鈦合金製造，要承受氣動摩擦加熱的機翼前緣和鼻錐使用名為“因科內爾-X”的材料製造，這是一種鉻鎳鐵特殊耐熱合金。
北美公製造了三架X-15A-1火箭飛機，飛到了6.7馬赫（7280千米/時）的最大速度和108千米的最大高度。有8名駕駛X-15飛到76千米高空之上的飛行員獲得了宇航員之翼徽章。一架X-15A-1在著陸時出了事故導致機身折斷，幸好飛行員毫髮無損。這架飛機被重建為X-15A-2，增加了大型外部油箱以延長發動機的工作時間，向更高的速度和高度衝刺。
但是X-15在1967年11月15日的最後一次任務中發生了重大事故，飛機在高空解體，飛行員邁克爾•亞當斯少校遇難。隨後由於維修和天氣問題，在1968年下半年完成第200次飛行的計畫被推遲了10次，直到最後也沒有實現。
12月20日，X-15被從B-52的機翼下方卸下，在完成了199次飛行後（最後一次由比爾·達納駕駛在10月24日進行），X-15項目宣告結束。現在俄亥俄州代頓的美國空軍博物館保存著一架倖存的X-15，另一架保存在華盛頓特區的史密森博物館。
B-52轟炸機掛載著X-15從加州愛德華茲空軍基地起飛，準備飛到猶他州的發射點進行發射。這架火箭飛機主要使用鈦合金製造，要承受氣動摩擦加熱的機翼前緣和鼻錐使用名為“因科內爾-X”的材料製造，這是一種鉻鎳鐵特殊耐熱合金。
北美公製造了三架X-15A-1火箭飛機，飛到了6.7馬赫（7280千米/時）的最大速度和108千米的最大高度。有8名駕駛X-15飛到76千米高空之上的飛行員獲得了宇航員之翼徽章。一架X-15A-1在著陸時出了事故導致機身折斷，幸好飛行員毫髮無損。這架飛機被重建為X-15A-2，增加了大型外部油箱以延長發動機的工作時間，向更高的速度和高度衝刺。
但是X-15在1967年11月15日的最後一次任務中發生了重大事故，飛機在高空解體，飛行員邁克爾•亞當斯少校遇難。隨後由於維修和天氣問題，在1968年下半年完成第200次飛行的計畫被推遲了10次，直到最後也沒有實現。
12月20日，X-15被從B-52的機翼下方卸下，在完成了199次飛行後（最後一次由比爾·達納駕駛在10月24日進行），X-15項目宣告結束。現在俄亥俄州代頓的美國空軍博物館保存著一架倖存的X-15，另一架保存在華盛頓特區的史密森博物館。