Na základe štúdie Access to Space z roku 1993 iniciovala NASA návrhy nového, viacnásobne použiteľného aerokozmického prostriedku typu SSTO (Single Stage To Orbit), ktorý by po roku 2000 nahradil zastarávajúce raketoplány Space Shuttle. Preto boli vytvorené dva nové programy X-33 a X-34, ktoré si dali za cieľ vyvinúť potrebné technológie pre budúci raketoplán druhej generácie. Prototyp mal uskutočniť letové testy pri hypersonickej rýchlosti, demonštrovať charakteristiky SSTO a minimálne nároky na pozemnú obsluhu. Ďalšou tvrdou požiadavkou bol sedemhodinový časový úsek medzi dvoma letmi (v prípade núdze sa skrátil len na 3,5 hodiny!). Na financovaní sa okrem NASA podieľal aj súkromný priemysel. Finančná účasť štátu mala zvýšiť ekonomickú návratnosť a motivovať firmy vo vývoji. Počas marca 1995 informovala NASA o výbere troch kandidátov, ktorí mali predložiť konkretizované návrhy. Do finále postúpili firmy Lockheed/Martin, McDonnell Douglas a  Rockwell/Northrop.

Po niekoľkodesaťročných prácach firmy Douglas v oblasti viacnásobne použiteľných rakiet s vertikálnym štartom a pristátím bolo takmer jasné, že McDonnell Douglas predloží vesmírny prostriedok tejto kategórie. Ten bol nakoniec odvodený od rakety DC-Y. Šance na úspech znižoval fakt, že táto koncepcia už bola overovaná na rakete DC-X.

Rockwell navrhol okrídlené teleso s vertikálnym štartom a horizontálnym pristátím, poháňané šiestimi raketovými motormi. Vzhľadom na to, že už mal pridelený projekt X-34, jeho šance na úspech boli malé.

Aerobalistická raketa Lockheedu v sebe spájala vztlakové teleso, vyvinuté divíziou Lockheed Missiles and Space Company pre projekt ACRV, s lineárnym raketovým motorom so spaľovacou komorou vo vnútri trysky tvorenej aerodynamicky tvarovaným centrálnym telesom, vyvinutým pred dvadsiatimi rokmi divíziou Rocketdyne firmy Rockwell Corporation. Istý čas sa dokonca uvažovalo, že tento typ motora bude použitý na raketopláne Space Shuttle. Každý zo siedmich modulových motorov na kvapalný vodík mal vyvinúť ťah 1112 kN, aby spoločne vyniesli teleso s hmotnosťou 589 680 kg priamo na obežnú dráhu. Jeho princíp je veľmi jednoduchý. Motor nemá klasickú trysku, ale sústavu palivových dýz, ktoré sú umiestnené na koncoch stredovej konštrukcie v tvare obráteného zvona. Pri štarte vďaka vysokému tlaku priľnú výtokové splodiny k stene motora. Pri stúpaní na obežnú dráhu okolitý tlak klesá, čím sa splodiny postupne vzďaľujú od stien motora a tým zabezpečujú optimálny ťah. Skúšky prototypu Aerospike XRS-2200 prebiehali v roku 2001 na Stennis Space Center NASA v štáte Mississippi.

Na overenie motorov Aerospike pri skutočnom lete, celokompozitových palivových nádrží, kovového tepelného štítu a minimálnej potreby pozemného vybavenia mal byť postavený zmenšený demonštrátor X-33 polovičnej veľkosti a osminovej hmotnosti uvažovaného vesmírneho raketoplánu Venture Star. Jeho financovanie si medzi sebou rozdelili NASA, hlavný kontraktor Lockheed/Martin a subdodávatelia Boeing (Rocketdyne), B. F. Goodrich (Rohr Industries), Honeywell (Allied Signal) a Sverdrup. Prototyp X-33 s dĺžkou 20 metrov a hmotnosťou 28 350 kg nebol určený pre lety do vesmíru. Pomocou dvoch motorov Aerospike mal vykonať približne 15 skúšobných suborbitálnych letov pri rýchlosti Mach 12 až 15 vo výške do 98 kilometrov. Po štarte z Edwards AFB mal pristáť najprv na Michael Army Air Field a neskôr na Malmstrom AFB. Údaje o základných letových charakteristikách a vztlaku trupu mal priniesť ešte menší, rádiovo ovládaný model s dĺžkou približne 1 meter.

3. novembra 1999 praskla kompozitová palivová nádrž na tekutý vodík, čo veľmi skomplikovalo postup už aj tak oneskoreného vývoja. Stena nádrže je tvorená vonkajšou a vnútornou vrstvou z uhlíkových vlákien, spojených epoxidovou živicou. Medzi nimi je vrstva izolačného materiálu. Pri tlakovej skúške bola nádrž s hmotnosťou 2300 kg naplnená 109 620 litrami kvapalného vodíka a natlakovaná na 105 % normálu. Okrem toho bola na rôznych miestach zaťažovaná mechanizmami, ktoré mali simulovať podmienky počas letu. Porucha vonkajšej steny nádrže bola zistená až dve hodiny po skončení testu pri povrchovej inšpekcii. Vyšetrovanie príčin havárie ukázalo, že použitý materiál ešte nie je pre výrobu vhodný. Lockheed navrhol zhotoviť ťažšie hliníkové nádrže, ale potom by sa prvý let uskutočnil až v roku 2003.

Financovanie projektu X-33 bolo založené na dohode medzi NASA a firmou Lockheed/Martin iba do 31. 3. 2001. Program bol financovaný spoločnosťou Lockheed (357 miliónov USD) a taktiež z programu NASA nazývaného SLI (Space Launch Initiative) (912 miliónov USD), z ktorého NASA podporuje komerčné firmy pri vývoji nových kozmických dopravných prostriedkov. Lockheed predpokladal, že od NASA získa ďalšie potrebné financie na pokračovanie vývoja, ale 1. marca 2001 bolo oznámené, že v rámci projektu SLI už s ďalšou podporou programu X-33 nepočíta. V tom čase bol prototyp dokončený približne zo 75 %. Program bol taktiež ponúknutý USAF, ale 5. septembra bolo oznámené, že USAF neprevezme vývoj takéhoto kozmického prostriedku.