Brał także udział w programach obejmujących samoloty North American F-100 Super Sabre, McDonnell F-101 Voodoo, Convair F-102 Delta Dagger, Lockheed F-104 Starfighter oraz Boeing B-47 Stratojet.
W 1958 roku został wybrany jako kandydat na astronautę w projekcie United States Air Force Man In Space Soonest. Projekt ten został anulowany po tym, jak nowo utworzona agencja NASA przejęła odpowiedzialność za wszystkie amerykańskie załogowe loty kosmiczne.
Jako pilot NASA odbył 25 lotów na samolocie doświadczalnym North American X-15. Pierwszy lot na tej maszynie wykonał 25 marca 1960 roku. Podczas lotu numer 59, 27 czerwca 1962 roku, osiągnął maksymalną prędkość 6605 km/h (Mach 5,92). Podczas lotów numer 90 (19 lipca 1963 roku) i 91 (22 sierpnia 1963 roku) osiągnął maksymalne wysokości lotu, kolejno, 106 km i 107,9 km. Były to najwyższe wysokości osiągnięte w całym programie X-15, które, zgodnie z definicją FAI, kwalifikują się jako suborbitalne loty kosmiczne, a Walker stał się pierwszą osobą, która dwukrotnie znalazła się w kosmosie.