X-35能进行空中加油，让其占净优势
2000年底到2001年初间，X-35A改装成STOVL型X-35B，安装了升力风扇和矢量推力喷管。2001年上半年，这架飞机栓在一可降低地面效应的平地钢网上进行测试，检查及测量发动机、升力风扇、喷管、反作用控制系统。2001年6月23日，英国航宇系统试飞员哈格维（Simon Hargreaves）首次加大油门，将飞机升离地面约6米高，以测试此种情况下的控制系统反应。2001年7月间，X-35B在爱德华空军基地完成38次试飞，也确认由垂直转为水平飞行的能力。
X-35B的首次悬停
2001年7月20日，海军陆战队的汤马斯（Art Tomassetti）少校驾驶这架X-35B完成史上首次的短距起飞、超音速飞行、悬停、垂直降落的完整飞行，波音的X-32则无法演示如此的飞行能力。2001年8月6日该机最后一次飞行，由洛克希德试飞员摩根费尔德（Tom Mongenfield）将它飞回帕姆代尔工厂。
第二架演示机的构型是X-35C舰载型，2001年12月16日首飞，在爱德华空军基地的33飞行小时测试中，成功演示用侧杆操纵模拟航母降落。2002年2月，这架X-35C由爱德华空军基地飞往马里兰州的帕塔克森河（Patuxent River）海军航空站（Navy AirStation），成为首架跨越美国大陆飞行的X系列试验机。在帕塔克森河另外33飞行小时的测试中，X-35C完成超音速飞行，以及超过250次的模拟航母降落。
加大机翼的X-35C
三型X-35的试飞，证实洛克希德的联合打击战斗机机身及推进系统为成熟可行的技术。
2000年11月，联合打击战斗机计划办公室要求波音、洛克希德二竞争团队提出22架系统发展验证飞机的制造及测试规划，其中8架为地面测试机，14架为空中试飞机。2001年10月26日计划办公室宣布由洛克希德胜出，做出此最后决定的美国国防部空军部长罗契（James Roche）表示︰“两个团队的规划都非常出色，但洛克希德团队在优缺点及风险上都胜上一筹。在评选的每一道过程中，该团队能提供国防部最佳价值（best value）的证据越来越明显。”一般国防分析师也认为洛克希德的演示机在发动机设计、性能和操作风险等多方面都优于波音，且波音也比较能承受落败所带来的损失。