美国空军希望ATF项目采用“演示和验证”（Dem/Val）流程而不是轻型战斗机（LWF，最终决出了F-16“战隼”战斗机）项目的原型机试飞竞争流程。演示和验证流程将涵盖除原型机试飞外的所有方面，全套航电系统也只在模拟器上进行测试。各厂家的ATF设计会先在风洞和雷达反射面积测试场进行测试，然后制造全尺寸实体模型，最后获胜的厂家才会被授予制造一架试飞原型机的全尺寸发展（FSD）合同。
1985年9月，美国空军发布了完整的ATF演示和验证阶段方案征求书，规定截止日期是1986年1月，美国空军表示该机的采购数量可能多达750架。在演示和验证阶段，厂家要制作用于风洞测试的全尺寸或缩比模型，还要实现对雷达反射面积的计算机化分析，由于工作复杂，截止日期被被推迟到1986年4月。
所有7个竞争者都提交了方案。波音提交了一种V尾菱形机翼设计，两台发动机机共用一个大型“鲨鱼嘴”式样机腹进气口。通用动力提交了一种三角翼设计，融入该公司F-16XL的一些元素，机身两侧进气，进气口位于翼根前缘前，单垂尾面积巨大，座舱后方机身两侧安装独立的雷达侧视阵列。洛克希德提交的设计具有一个箭头形平面形状，机翼边条成直线一直延伸到机鼻，机翼为传统的梯形设计，后机身具有矢量喷管和平尾，机身内设置了弹舱，采用双外倾垂尾。麦道提交了一个具有楔形机腹进气口和大后掠机翼的设计。诺斯罗普提交了一个具有菱形机翼和内部武器舱但没有推力矢量的设计。罗克韦尔的设计是一种大型高度翼身融合的三角翼飞机。格鲁曼提交了一种鸭式布局的前掠翼设计。
美国空军在1986年5月改变了主意，宣布将在演示和验证阶段结束时选出两家公司制造各自的试飞原型机，再决出获胜者进入全尺寸发展阶段。这是因为帕卡德委员会（美国国防管理特别工作委员会）极力主张军机采购采用原型机试飞竞争流程，当时C-5A和F-111项目的成本超支和延误仍记忆犹新，美国空军在强大压力下不得不接受其建议。
波音的ATF设计
通用动力的ATF设计
洛克希德的ATF设计
诺斯罗普的菱形机翼设计
罗克韦尔的翼身融合设计
格鲁曼的前掠翼设计
诺斯罗普公司
二战后，诺斯罗普公司因在战斗机设计上实现了出色的成本/性能权衡而闻名于世。为了降低成本，诺斯罗普强调只在绝对需要的地方使用高性能和尖端技术，并成为F-5A/B“自由战士”战斗机和F-5E/F“虎II”背后的设计理念。虽然这两种战斗机在出口市场上获得了巨大成功，但诺斯罗普公司在研制F-5后继机上却屡战屡败。P-530“眼镜蛇”项目没有吸引到任何客户，其衍生型YF-17又在轻型战斗机竞争中败给F-16。虽然YF-17的衍生型F/A-18“大黄蜂”最后获得了美国海军的订货，但诺斯罗普引狼入室，让合作伙伴麦道公司在F-18舰载型项目中占据了主导地位，自己反而变成分包商，同时自己主导的F-18L陆基型项目又无人问津。最后诺斯罗普又研制了与F-16A竞争外销市场的F-20“虎鲨”战斗机，同样未能吸引任何客户。
P-530“眼镜蛇”全尺寸模型
在一项自筹资金的研究中，诺斯罗普用计算机模型来确定战斗机的哪些性能特点在未来空战环境中最为有效，结果发现一架具有隐身能力的战斗机能在穿透敌方领空时不被发现，或即使被发现也能避免被敌防空系统效跟踪。此外，大幅改进的机载雷达系统和大大增强的计算机处理能力及座舱大屏显示器也能大幅提高战斗机的效能。于是诺斯罗普得出结论：一种具有先进雷达系统和强大机载计算机的隐身战斗机能够在未来超视距空战中做到先敌发现和先敌击落。
大幅改进的机载雷达系统和大大增强的计算机处理能力及座舱大屏显示器也能大幅提高战斗机的效能
诺斯罗普在美国空军宣布ATF项目将采用演示/验证流程前的几个月决定再次与麦道公司合作参加ATF，就像在F/A-18“大黄蜂”项目中的那样。诺斯罗普希望能够借鉴麦道公司在设计大型复杂战术飞机（如F-15E）上的丰富经验，此外由于演示/验证阶段的耗资将大大超过美国空军的拨款，组队合作能使这两家公司承受得起更大亏损。双方一致同意在演示/验证阶段中获胜的公司将主导项目。
格鲁曼和罗克韦尔在演示/验证阶段早期就退出了竞争。1986年10月31日，美国空军宣布洛克希德和诺斯罗普的方案获胜，各自获得一份原型机制造合同。每个团队将制造两架试飞原型机，也就是说洛克希德团队将制造两架YF-22A原型机，诺斯罗普团队将制造两架YF-23A原型机。每架原型机都能安装普惠F119或通用电气F120发动机进行飞行。试飞竞争结束后，其中一个团队将获得全尺寸发展（FSD）合同。
1987年，美国空军删除了反推装置要求。在原先的设想中，ATF的反推装置可以在飞行中启动，用于在作战中减速或在进近降落中进行速度控制，但是F-15短距起降测试/机动技术验证机表明反推装置不仅增加了重量，而且需要的冷却空气流量也比预计的更大。取消了反推装置后，ATF降落滑跑距离也从610米放宽到915米，为了缩短区区305米的滑跑距离而增加反推装置，增加的重量和复杂性是得不偿失的。
F-15短距起降测试/机动技术验证机表明反推装置不仅增加了重量，而且需要的冷却空气流量也比预计的更大
1988年，预算削减迫使美国空军把战术战斗机联队的规模从38个降低到35个。当时的美国空军现代化计划仍包括750架ATF，交付速度为每年72架。全尺寸发展将在1991年启动，1993年交付第一架全尺寸发展型飞机，1996年第一架ATF进入美国空军服役。
1989年8月，美国空军发布了全尺寸发展阶段的方案征求书草案。1989年10月6日，国防采办委员会批准演示/验证阶段早期设计工作推迟6个月，之后又推迟到1991年中期，导致了全尺寸发展阶段相应延后一年。美国空军同意在1990年10月底发布全尺寸发展方案征求书，并在1991年4月选出一个获胜者。