Historicky prvé prekonanie rýchlosti zvuku Chuckom Yeagerom na lietadle Bell X-1 vyvolalo veľký záujem o preskúmanie javov, vznikajúcich pri nadzvukových rýchlostiach. Kvôli tomuto účelu vzniklo mnoho lietadiel, ako Bell X-2, neúspešný Douglas X-3, Convair XF-92 či Douglas D-558. 30. decembra 1954 vyhlásilo Management of the materials USAF tender na stavbu experimentálneho raketového lietadla, ktoré by dokázalo preskúmať sprievodné javy pri hypersonických rýchlostiach. Dôraz bol kladený hlavne na teplo vznikajúce trením, kontrolu stability a riadenia letu, a vstup do zemskej atmosféry. Na úvodnú požiadavku odpovedalo deväť firiem, po sprísnení kritérií ostali len štyri: Bell, Douglas, North American a Republic. Víťazná firma mala obdržať kontrakt na stavbu troch strojov, ktorým bolo pridelené označenie X-15, a na prestavbu nosného lietadla Convair B-36 (ktoré bolo v tej dobe preferované pred Boeingom B-52). 9. mája 1955 firmy poslali svoje záväzné návrhy do Wright-Fieldu. Ani jeden predložený návrh však nespĺňal všetky požiadavky. Najviac bodov (75 zo 100) získal stroj North American, najmä vďaka podpore NACA. Rovnaký názor zastávalo aj USAF, avšak US Navy preferovalo koncept firmy Douglas. Tender po dlhých diskusiách vyhral North American a následne obdržal kontrakt v hodnote 56,1 milióna dolárov. Na obrázkoch je vľavo hore návrh spoločnosti Bell, vpravo Republic, dole vľavo North American a dole vpravo Douglas.

Výroba prototypov sa presunula do továrne North American Inglewood, blízko Los Angeles. Lietadlo bolo vybavené lichobežníkovými krídlami, klinovitou vertikálnou chvostovou plochou a motorom Thiokol Reaction Motors XLR-99-RM-2 s ťahom 253,534 kN vo veľkých výškach. Pilot sedel v pretlakovom obleku v kokpite s vystreľovacím sedadlom a počas samostatného letu ovládal lietadlo pomocou reakčných dýz. Podvozok pozostával s prednej dvojkolesovej nohy a dvoch zadných vysúvateľných lyží. Po sérii letov v podvese pod Boeingom B-52, a po kĺzavých letoch nasledoval v septembri 1959 prvý let s vlastným pohonom. Skúšobný program X-15 sa zo základne Edwards naplno rozbehol začiatkom šesťdesiatych rokov. Avšak ešte predtým zasiahol do vývoja celkom nečakane štart sovietskeho Sputniku. Okamžite po tejto udalosti sa rozbehli práce v rámci projektu MISS (Man In Space Soonest, čo je literárne prednesená formulka v zmysle dostať človeka do vesmíru tak rýchlo, ako je to len možné), ktoré mali upraviť stroj X-15 pre let do vesmíru. Najskôr bolo potrebné spevniť nosnú konštrukciu, nainštalovať výkonnejší motor, potom pridať na trup žiaruvzdorné obloženie a nakoniec aplikovať úpravy pre pripevnenie na nosnú raketu. Aby tieto práce nemali len jednorázový efekt, rozhodlo sa ich USAF využiť pre ešte razantnejšiu úpravu X-15 na účely vesmírnych bojových (!) misií. Táto modifikácia putovala do Pentagonu pod označením X-15B.