Исходный бюджет программы положили в 163 млн долларов. Среди двенадцати авиакомпаний был объявлен конкурс на создание гиперзвукового самолета, а четыре моторостроительные фирмы получили предложение разработать проект ракетного двигателя для него. Победителем стала авиационная фирма "Норт американ авиэйшн" ("North American Aviation"), и в ноябре 1955 года с ней был заключен контракт на производство трех самолетов "Х-15". Через год определился и конструктор "мотора" — компания "Ри-экшн моторз" ("Reaction Motors Inc.") подрядилась на производство ракетного двигателя XLR-99.

Если конструкторы ракетоплана "Х-1", покорившего звуковой барьер, взяли за основу аэродинамической концепции простую пулю, то к моменту начала работ над "Х-15" необходимости в такой имитации уже не было: накопленных данных хватало для более сложных расчетов и выкладок. Проект фирмы "Норт американ авиэйшн" предусматривал строительство ракетоплана с крыльями стреловидной формы. Длина "Х-15" составляла 15 м, масса — около 7 т, а после заправки топливом (водно-спиртовая смесь и жидкий кислород) увеличивалась до 16,5 т. Так как продолжительность работы двигателя не должна была превышать 2 минут, на "стартовую" высоту 15 км ракетоплан собирались доставлять с помощью бомбардировщика "В-52" ("Б-52"). Два таких бомбардировщика ("NB-52A" и "NB-52B") были модифицированы для подвески "Х-15" под правой консолью крыла, между фюзеляжем и ближней парой двигателей. В проекте предполагалось, что ракетоплан сможет разогнаться до скорости, в шесть раз превышающей звук (2 км/с), и поднимется до высоты 76 км. В действительности "Х-15" сумел намного больше.

При разработке "Х-15" перед "Норт американ авиэйшн" возникла проблема, связанная с тем, что в полете различные части запускаемого аппарата одновременно будут находиться в условиях крайне высоких и крайне низких температур (от +650 до -185 °C). Такой перепад способны выдержать только никелевые сплавы. Технологам пришлось применить сварку в непривычных масштабах: если обычный самолет тех лет почти целиком имел клепаную конструкцию, то у "Х-15" на долю клепки приходилась лишь треть, а остальная часть ракетоплана была сварная. Другой особенностью "Х-15" являлась система управления полетом по баллистической траектории, которая представляла собой комплект газовых сопел на перекиси водорода, установленных в носовой части ракетоплана и на концах крыла, — эти сопла обеспечивали управление при полете в безвоздушном пространстве.

Для будущих пилотов "Х-15" был разработан полностью герметизированный скафандр — легкий, лишенный жестких сочленений. Значительные исследования были проведены при разработке системы аварийного спасения: рассмотрев разнообразные варианты, конструкторы решили сделать открытое катапультное кресло, а поверх скафандра пилота надеть теплозащитную оболочку.

Для летных испытаний "Х-15" выбрали воздушный коридор протяженностью 780 км и шириной 80 км. Он проходил над пустынной гористой местностью между авиабазами Уэндовер (штат Юта) и Эдвардс (штат Калифорния). Самолет-носитель "NB-52" должен был взлетать с авиабазы Эдвардс и набирать высоту 13,7 км в зоне старта, которая размещалась над одним из высохших озер Невады и Калифорнии. После отцепки "Х-15" пилот ракетоплана запускал двигатель, который разгонял аппарат до необходимой скорости. Если двигатель не мог включиться, выполнялась планирующая посадка на заранее выбранной ровной поверхности в районе отцепки. При нормальном запуске двигателя "Х-15" должен был подниматься по баллистической траектории в верхние слои атмосферы, а затем планировать и совершать посадку на поверхности высохшего озера.