Entre juillet 1962 et août 1968, 1e X-15 réalisa un total de 13 vols spatiaux, au sens où l'entendait l’USAF, c'est à dire au-dessus de 80 km d'altitude. Huit pilotes devinrent ainsi des astronautes officieux, que la NASA ou la FAI n'ont jamais reconnu comme tels, car le X-15 n'était pas considéré comme un "spationef" par ces organismes. Ces missions hors de l'atmosphère étaient avant tout motivées par des recherches dans le cadre du programme initial d'abord, puis, à partir de 1965, pour des expériences scientifiques à très haute altitude. Le caractère spatial du vol n'en était qu'une conséquence indirecte... sauf pour le public et les pilotes eux-mêmes !

Le 17 juillet 1962, le Major Bob White avait atteint 96 km d'altitude (mission 3-7-14) et réalisé une rentrée à 23° d'incidence, limites imposée par la dérive ventrale complète. Les essais menés lors du second trimestre 1962 sur l'avion sans la partie inférieure de la dérive ventrale donnèrent à la NASA l'assurance de pouvoir étendre le domaine de vol à des altitudes et des angles d'attaque plus élevés.

Une montée en puissance en quatre étapes devaient finalement permettre au X-15 d'atteindre 350 000 ft, soit environ 107 km d'altitude, et de conduire des rentrées atmosphériques à une incidence moyenne de 25°. Le 17 janvier 1963, six mois jour pour jour après Bob White, Joseph A. Walker devint pilote-astronaute en grimpant jusqu'à 82 810 m (mission 3-14-24) à bord du X-15 n° 3. Mais, si, pour la même performance, l'USAF pouvait décerner à ses officiers des "ailes" d'astronaute, la NASA, ne récompensa pas son chef-pilote. Un soir, pourtant, Joe Walker retrouva au restaurant des amis qui lui décernèrent, dans la bonne humeur, ses ailes d'astronaute...en carton!

Le 27 juin suivant, le Major Bob Rushworth, amena le troisième X-15 à 86 870 m (mission 3-20-31), et reçut ainsi ces fameuses ailes... Le 19 juillet 1963, Joe Walker fut, dans l'absolu, le premier homme à avoir effectué deux vols spatiaux (mission 3-21-32). Dans la course vers les 107 km d'altitude, il devait atteindre un ultime palier à 96 km.

Cependant, un fonctionnement plus long d'environ deux secondes du moteur-fusée poussa le véhicule jusqu'à... 106 km, largement au-dessus de la limite spatiale des 100 km fixée par la FAI. Enfin, le vol à 107 km (107 960 m exactement), fut accompli le 22 août (mission 3-22-36) par le même pilote, il servit surtout à valider un nouvel altimètre. Mais cette mission marqua aussi le départ de Walker du programme X-15.

En cette année 1964, année de transition entre le projet Mercury et le démarrage des opérations Gemini, il n'y eut pas d'autres vols, spatiaux du X-15. Il fallut attendre le 29 juin 1965 pour que le Cne Joseph H. Engle (USAF) devienne, à 32 ans, à la fois le plus jeune astronaute américain et le quatrième pilote-astronaute en X-15. Il atteignit 85 km d'altitude au cours de ce qui était la première mission (3-44-67) spatiale scientifique (essai d'un capteur à infrarouges de l'horizon terrestre). Le 10 août suivant, Engle poussa le X-15 n°3 jusqu'à 82,6 km puis, le 14 octobre suivant, fît réaliser au X-15 n° 1 dépourvu des commandes automatiques, son premier vol (mission 1-61-101) dans l'espace.

Cette triple performance spatiale qui valut à son auteur le Lawrence Sperry Award de 1966, conduisait naturellement Joe Engle sur les traces de Neil Armstrong. En avril 1966, il rejoignit le corps des astronautes de la NASA, à Houston. Déjà pilote astronaute au moment de sa sélection, Engle resta cependant au sol pendant quinze ans, avant de retrouver le chemin de l'espace dans la navette spatiale ! Le 28 septembre 1965, John B. Mc Kay gagna à son tour ses ailes d'astronaute officieux à l'occasion de la 150ème mission (3-49-73) X-15 à 90 km d'altitude. Des pilotes de X-15 sélectionnés dès 1958, seuls restaient Mc Kay et Rushworth.

Milton 0. Thompson (NASA) et Joe Engle (USAF), qui avaient remplacé respectivement Armstrong et White en 1963, quittèrent le programme X-15 en août 1965 et avril 1966. Thompson ne fut pas remplacé, mais l’USAF nomma, le 28 juillet 1966, le Major Michael J. Adams pour succéder à Engle. Par ailleurs, les départs de Joe Walker en 1963 et de Bob Rushworth en 1966 furent compensés par l'arrivée de William H. Dana (NASA) et du Major William J. Knight (USAF) en 1965.

Bill Dana réalisa deux vols spatiaux (mission 3-56-83 et 1-79-139) à bord du, X-15, le 1er novembre 1966 à bord du véhicule n° 3 et le 21 août 1968 aux commandes du X-15 n° 1. Au programme de ces deux missions s'inscrivaient, comme chaque fois depuis 1965, différentes expériences scientifiques (analyse de la densité de micro-météorites, vérification d'un capteur d'horizon terrestre, essai d'un accéléromètre monté en bout d'aile, détection d'un tir de fusée depuis la base spatiale de Vandenberg, etc). Le 17 octobre 1967, Knight gagna ses "astronaut wings ".