Pierwszym lotem maszyny była próba szybowania 8 czerwca 1959 roku. Samolot pilotował Scott Crossfield, który poleciał także w pierwszym locie X-15 z napędem 17 września. Pierwszy lot z wykorzystaniem silnika XLR-99 odbył się 15 listopada 1960 roku.
Zbudowano trzy maszyny X-15, na których wykonano łącznie 199 lotów – ostatni 24 października 1968 roku. Planowano wykonanie dwusetnego lotu 21 listopada 1968 roku pilotowanego przez Williama J. Knighta, ale po sześciokrotnym przełożeniu startu ze względów technicznych, ostatecznie po odwołaniu ostatniego ustalonego na 20 grudnia 1968 terminu samolot uziemiono.
Pierwsza z maszyn została wysłana do National Air and Space Museum w Waszyngtonie, a druga znajduje się obecnie w muzeum Amerykańskich Sił Powietrznych w Dayton w stanie Ohio. Trzecia maszyna, X-15A-3, uległa zniszczeniu 15 listopada 1967, gdy samolot, pilotowany przez Michaela J. Adamsa wpadł w korkociąg i rozpadł się w powietrzu, gdy przeciążenie przekroczyło 15 G. Szczątki pojazdu rozsypały się na powierzchni ponad 50 mil kwadratowych. 8 czerwca 2004 na miejscu, w którym odnaleziono szczątki kokpitu wzniesiono pomnik. Pilotowi przyznano pośmiertnie odznakę astronauty – w ostatnim locie osiągnął wysokość 81,1 km.