Новый уровень высоты 76 км был достигнут Джозефом Уолкером уже 30 апреля 1962 года. Поскольку и это был не предел, исследователи составили дополнительную программу, которая предусматривала совершение еще более высотных полетов — выше 80 км, а это практически космическое пространство.

И на этом этапе тоже случались малоприятные происшествия. Десятого января 1962 года Форрест Петерсен совершил аварийную посадку на озере Мад, поскольку у него не включился двигатель. Девятого ноября 1962 года по схожей причине и там же был вынужден приземлиться Джон Маккей, причем у его "Х-15" подломилось шасси, ракетоплан перевернулся и разрушился. Двадцатого апреля 1962 года управляемый Нилом Армстронгом аппарат при возвращении с высоты 63,2 км "отрикошетил" от атмосферы и перелетел территорию базы Эдвардс на 30 км; пилот сумел развернуться и посадить машину в южной части сухого озера, совершив рекордный по длительности полет на "Х-15" — 12 минут 28 секунд.

Неоднократно отказывали вспомогательные силовые установки. К примеру, 29 июня 1967 года у Пита Найта из-за такого сбоя отключилось все бортовое оборудование — авария должна была закончиться потерей ракетоплана, если бы не виртуозное мастерство пилота, который смог благополучно посадить аппарат. Третьего октября 1967 года при проверке характеристик обтекания новых элементов конструкции на скорости 1900 м/с "Х-15", пилотируемый Найтом, чуть не разрушился от аэродинамического нагрева. Позднее Милтон Томпсон писал: "При наборе высоких скоростей физически ощущаешь, как нагревается корпус самолета и его начинает трясти, потому что металл коробится, а иногда в кабине появляются клубы дыма. А ты сидишь и не знаешь, что происходит. Летчикам-испытателям вроде бы не пристало говорить, что они боятся. Но я, скажем так, все время нервничал".

Несмотря на проблемы и риск для пилотов, ракетопланы брали один рекорд за другим. Двадцать второго августа 1963 года Джозеф Уолкер взял высоту 107,96 км — никто другой из пилотов "Х-15" не сумел обойти его. Третьего октября 1967 года Пит Найт преодолел скоростной рубеж в 7273 км/ч (2,02 км/с) — до настоящего времени в авиации этот рекорд не побит, хотя Международная авиационная федерация (FAI) его и не зарегистрировала, поскольку "Х-15" взлетал не самостоятельно, а сбрасывался с носителя.

Второй этап программы "Х-15" закончился трагически. Пятнадцатого ноября 1967 года в ходе полета третьего опытного образца погиб пилот Майкл Адамс. Почему произошла эта катастрофа, установлено в точности не было. Вся телеметрическая информация погибла вместе с аппаратом. Известно только, что еще при наборе высоты сбоило оборудование, и то, что видел пилот на индикаторах, не соответствовало реальности. Когда ракетоплан уже терпел бедствие, Адамс по-прежнему получал информацию о нормальной работе всех систем. Газетчики, которые после подробного освещения первых полетов на долгие годы практически забыли о существовании "Х-15", теперь единодушно ополчились на руководителей программы за "безмерный риск", которому они подвергают пилотов.

Так или иначе, но в 1968 году на карту была поставлена судьба программы. Именно тогда начался и тут же закончился третий этап испытаний ракетоплана.