X-15-2脱离载机后开启XLR99发动机
尼尔·阿姆斯特朗与X-15
此后项目渐入佳境，XLR99暴露出的问题被一一解决，证明了自己是一台优秀的火箭发动机。X-15团队向高边疆挺近。
但这不意味着试飞会平安无事，1962年11月9日，约翰·“杰克”·麦凯驾驶X-15-2试飞，他无法获得火箭发动机的全部推力，XLR99对油门控制没有反应，卡在了30%推力状态。于是麦凯驾机迫降，结果X-15-2在迫降中发生翻滚，飞机被严重损坏，麦凯也身受重伤。X-15-2在维修重建期间被升级成X-15A-2，并在1964年6月进行了新构型的首次飞行。X-15A-2的机身加长了73.66厘米，腹鳍下方可增加一台冲压喷气发动机，机身两侧可挂两个燃料箱。
麦凯驾机迫降，结果X-15-2在迫降中发生翻滚，飞机被严重损坏，麦凯也身受重伤
X-15-2在维修重建期间被升级成X-15A-2
X-15A-2的机身加长了73.66厘米，腹鳍下方可增加一台冲压喷气发动机，机身两侧可挂两个燃料箱
X-15A-2的尾部修改
X-15项目在第191次飞行中遭遇首次死亡事故，X-15-3在高超音速飞行中陷入螺旋，后机身断裂，飞机在40秒内下降了30000米，导致飞行员麦克·亚当斯遇难。
迈克尔•亚当斯少校
X-15-3的后机身残骸
在X-15-2维修重建期间，X-15-1又完成了8次飞行。此时有人开始质疑X-15项目付出如此高昂的代价是否值得，且不论巨大的飞行风险，该机每次发射的费用就估计高达60万美元。1966年，NASA同意承担X-15项目的大部分费用，但直到1968年底才被批准，看起来留给X-15项目的时间不多了。
由于维修和天气问题，在1968年下半年完成第200次飞行的计划被推迟了10次，直到最后也没有实现。12月20日，X-15被从B-52的机翼下方卸下，在完成了199次飞行后（最后一次由比尔·达纳驾驶在10月24日进行），X-15项目宣告结束。
飞行员
克罗斯菲尔德完成工厂试飞把X-15移交给NASA后，还有其他11名试飞员驾驶过X-15，其中5人来自美国空军，1人来自美国海军，5人来自NASA。毫无疑问他们都是太空先锋，同时也是杰出的工程师和飞行员。
毫无疑问他们都是太空先锋，同时也是杰出的工程师和飞行员
后来，这批飞行员中有的为NASA的未来太空项目做出了贡献，有的在先进飞机研制项目中继续担任试飞员，有的则返回部队并参加越战。其中就有在1069-71年间担任“企业”号航母舰长，后来官至海军上将的福雷斯特·彼得森，他一生参加了二战、朝鲜战争和越南战争这三次战争。尼尔·阿姆斯特朗担任了“双子座8”和“阿波罗11”两次任务的指挥官，并成为了登月的第一人。乔·恩格勒成为航天飞机试飞员，并担任航天飞机STS-2和STS-51-1两次任务的指挥官。
创纪录
8名不同的飞行员完成的13次飞行符合美国空军的太空飞行规定，也就是高度达到50英里（80公里）。他们中的美国空军飞行员被授予了宇航员之翼资格章，但平民飞行员们直到2005年才获得了同样的认可。
宇航员之翼徽章
不过这13次飞行中只有两次被国际航空联合会（FAI）承认为是高度超过100公里的太空飞行，这两次飞行都由约瑟夫·沃克驾驶X-15-3完成的。其中第一次是1963年7月进行的第90次飞行，高度达到了106公里。一个月后，沃克在第91次飞行飞到了108公里高度，让X-15成为名副其实的太空飞机。直到近20年后，这个纪录才被进入地球轨道的“哥伦比亚”号航天飞机打破。
X-15-3负责创造高度纪录，X-15-2则成为了速度神话。1961年6月23日，罗伯特·怀特驾驶X-15-2在第38次飞行中成为地球上第一名飞行速度超过5马赫的飞行员，达到了5.27马赫（5802公里/小时）。几个月后，怀特驾驶同一架飞在11月9日的第45次飞行期间，创造了6.04马赫（6586公里/小时）的新纪录。
X-15-3负责创造高度纪录，X-15-2则成为了速度神话
