Il fallait tout d'abord un avion-porteur, ou avion-mère, chargé de porter le X-15 en altitude. Le bombardier B-36 " Peacemaker " avait d'abord été pressenti, mais, le 18 juin 1957, l'Air Force décida, en accord avec le NACA, de remplacer le B-36 par le B-52 "Stratofortress", Les raisons invoquées pour éliminer le B-36 étaient d'une part un risque de déstabilisation du X-15 au largage, à cause des violentes turbulences provoqués par les hélices intérieures de l'hexamoteur et, d'autre part, les moins bonnes performances du B-36.

Le montage de l'avion de recherche ne se ferait plus sous le fuselage du bombardier mais sous son aile droite, par l'intermédiaire d'un pylône d'attache. Ce pylône, entre le fuselage et la première nacelle-réacteurs, servirait par ailleurs de liaison ombilicale entre le véhicule expérimental et l'avion-mère.

Deux B-52 furent sélectionnés pour être modifiés. Le B-52A-BO n° 52-003, et le RB-52B-BO n° 52-008. Après transformation, ils devinrent respectivement NB-52A et NB-52B, le préfixe " N " désignant des " essais spéciaux permanents ". L'Air Force livra le B-52A à North American le 15 septembre 1957, et le B-52B le 6 janvier 1959.

Dans les toutes nouvelles installations de Palmdale (Air Force Plant 42), le chantier du premier avion débuta le 4 février 1958. Il concernait surtout l'installation d'un radar Doppler AN/APN-81, la mise en place d'un circuit fermé de télévision avec deux caméras prévues dans le flanc droit du fuselage, l'intégration de deux réservoirs pour le complément de plein du X-15 en oxygène liquide dans le fuselage (5680 litres), en lieu et place de réservoirs de kérosène, la fabrication et la mise en place du pylône du X-15 sous l'aile du bombardier et la création d'un poste de travail pour le largueur.

Le NB-52A et le NB-52B modifiés arrivèrent à Edwards AFB en février et en juillet 1959.