Первый "Х-15" был построен в середине октября 1958 года и с завода доставлен на авиабазу Эдвардс. Перевозка ракетоплана сопровождалась рекламной шумихой с активным участием средств массовой информации. Программа испытаний привлекла общественное внимание прежде всего потому, что Советский Союз выиграл "гонку" за первый спутник, и многим американцам казалось, что испытания "космического самолета" станут достойным ответом "русским выскочкам". Второй экземпляр "Х-15" был готов к апрелю 1959 года, а третий — к июню 1961 года.

Нужно отметить, что как раз в то время, 1 октября 1958 года. Национальный консультативный комитет по аэронавтике (NACA) был преобразован в более мощную организацию — Национальное управление по аэронавтике и космосу (National Aeronautical and Space Administration, NASA). К этому управлению переходила и вся программа разработки "Х-15". Таким образом, авиационный проект по факту стал космическим, а пилоты-испытатели получали статус астронавтов.

Впрочем, их и ранее готовили как покорителей космоса. Всего в программе испытаний "Х-15" участвовало двенадцать пилотов: Скотт Кроссфилд, Джозеф Уолкер, Роберт Уайт, Форрест Петерсен, Джон Маккей, Роберт Рашуорт, Нил Армстронг, Джозеф Энгл, Уильям Найт, Уильям Дана, Майкл Адамс и Милтон Томпсон. Многие из них впоследствии успешно работали и по другим программам. Все эти люди отличались личным обаянием и высокой целеустремленностью. Будущие пилоты "Х-15" должны были выполнить две тысячи "полетов" на тренажере, пройти испытания на центрифуге, в термокамерах и барокамерах, а также испытать состояние невесомости в специально оборудованном пикирующем транспортном самолете.

Первый вылет "Х-15" состоялся 8 июня 1959 года. Ракетоплан, пилотируемый испытателем фирмы "Норт американ авиэйшн" Скоттом Кроссфилдом, отделился от бомбардировщика-носителя на скорости 840 км/ч и начал свободный полет. Ракетный двигатель не включался, однако даже при этом машина плохо слушалась пилота, совершив несколько неожиданных разворотов. Лишь собственное мастерство позволило летчику сохранить управление, и через пять минут после отделения Кроссфилд благополучную приземлился на дне высохшего озера. Инженеры учли проявившиеся проблемы, внеся изменения в систему управления, что сделало дальнейшие испытания более безопасными. Второй вылет был выполнен 17 сентября, и на этот раз Кроссфилд на короткое время включил двигатель, развив скорость 2400 км/ч, что в два раза превышает скорость звука.

Первый этап испытаний продолжался с 1959 по 1962 год. Фактически уже тогда удалось решить все задачи, которые ставили перед собой организаторы проекта. Была достигнута скорость около 2000 м/с, высота 75,2 км, получен колоссальный объем научной информации по тепловым процессам и сверхзвуковой аэродинамике. К сожалению, не обошлось без аварий. Пятого ноября 1959 года, во время третьего полета второго опытного образца "Х-15", одна из камер двигателя взорвалась. Скотт Кроссфилд совершил вынужденную посадку; при этом было повреждено хвостовое оперение, и ракетоплан вышел из строя на три месяца. Из-за нерасчетных тепловых напряжений при полетах на максимальную скорость 11 октября и 9 ноября 1961 года у Боба Уайта лопались внешние панели остекления кабины. Тепловое взаимодействие горячих вихрей на передней кромке крыла приводило к деформации обшивки. Подобные неисправности случались и в будущем, но, используя полученный опыт, другие пилоты отрабатывали нештатные ситуации на тренажере.

В 1962 году "Норт американ авиэйшн" получила заказ на доработку некоторых бортовых систем ракетоплана для решения новых задач, а "Комитет Икс-15" разработал программу второго этапа испытаний на период с 1963 по 1967 год.