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
X-15飞行员需要身穿压力服飞行员，座舱在10670米以上高度时会自动充氮气增压，同时向飞行员供氧。飞行员坐在一个弹射座椅上，最大弹射速度达4马赫（约4830公里/小时），最大弹射高度36580米。座椅在弹出后会展开翼面稳定姿态，等将到适合的速度和高度时再张开主伞，让飞行员与座椅分离。许多人怀疑该座椅在4马赫速度下究竟能不能成功弹射，不过没人能实际测试一下。
X-15的弹射座椅
座椅在弹出后会展开翼面稳定姿态，等将到适合的速度和高度时再张开主伞
飞控
X-15采用常规的液压飞行控制系统（FCS）。由于X-15要在稀薄大气环境中飞行，此时气动操纵翼面已经无效，所以也配备了反推力系统（RCS），在机鼻和两侧翼尖都安装了两个喷射方向相反的火箭推进器。此外，X-15还配备了增稳系统（SAS），能在飞行中自动控制操纵翼面，帮助飞行员维持飞行姿态。
由于X-15要在稀薄大气环境中飞行，此时气动操纵翼面已经无效，所以也配备了反推力系统（RCS）
X-15在整个服役期间先后使用过两种不同的飞控系统：第一种有三根不同的操纵杆，第二种精简到一根操纵杆。在第一种系统中，除了传统中置操纵杆和方向舵踏板外，右侧控制台上还有一根与方向舵交联的侧杆。这根侧杆最初被设计用于大过载飞行，但飞行员实践下来觉得侧杆比中置操纵杆还要好用，于是此后只使用侧杆，使中置操纵杆变成了多余。第三根操纵杆是位于左侧控制台上的另一根侧杆，用于控制反推力系统，可以手动或自动模式操作。后一种模式会同时启动反推力增强系统（RAS），帮助X-15在高空进行稳定飞行，一般用于动力飞行期间。
X-15-1的座舱内有三根不同的操纵杆
第二架X-15更换了霍尼韦尔公司的MH-96飞控系统，把操纵杆数量减少到了一根，将气动和反推力控制功能合二为一，可根据飞行状态自动控制。第三架X-15-3同样安装了这种飞控，并且改进了从气动飞行过渡到太空飞行以及大气层再入的控制精度，同时还降低了飞行员的工作量。结果，X-15-3被用于执行所有高度超过82300米的试飞任务。
第二架X-15更换了霍尼韦尔公司的MH-96飞控系统，把操纵杆数量减少到了一根
飞向高边疆
第一架X-15（X-15-1）在1959年6月8日完成首飞，由一架B-52母机携载升空，释放后进行了4分56秒的无动力滑翔飞行。首飞试飞员是斯科特·克罗斯菲尔德，他是一名前NACA试飞员，现为北美航空工作。作为过渡方案，X-15-1和X-15-2都先安装上反应发动机公司的XLR11发动机。1959年9月17日，克罗斯菲尔德驾驶X-15-2完成了首次动力飞行。
斯科特·克罗斯菲尔德
发射后直线爬升的X-15
作为过渡方案，X-15-1和X-15-2都先安装上反应发动机公司的XLR11发动机
X-15-2在1959年11月5日进行第三次飞行，飞机在13400米与母机分离后，克罗斯菲尔德在启动发动机时一个下方燃烧室爆炸并燃起大火，于是驾驶飞机紧急迫降在罗莎蒙德干湖床。由于大火造成结构损伤，X-15-2的机身在前起落架触地时折断，幸运的是飞行员毫发无伤。虽然出了这么大的事故，X-15-2在三个月内就被修复，准备好再次飞行。
没有安装发动机的X-15-3在1959年6月29日抵达爱德华兹空军基地，随后在1960年装上了全新的XLR99火箭发动机。同时，X-15-2退出试飞去换装新发动机。1960年6月8日，X-15-3进行第二次地面试车，由于一个小部件发生故障导致发动机爆炸，整个后机身被炸毁，座舱里的克罗斯菲尔德幸运逃脱。
新发动机的首次试飞发生在1960年11月15日，克罗斯菲尔德驾驶X-15-2以14000米/0.83马赫的状态与母机分离。虽然他只开了一半推力，X-15-2还是直冲云霄并一直加速到2.97马赫，爬升到24750米高空。X-15-3在修复完毕后于1961年12月做了首次飞行，试飞员是尼尔·阿姆斯特朗，这是X-15项目的第46次飞行。
