De forme générale trapézoïdale, l'aile n'avait que 5 % d'épaisseur relative, un faible allongement, un profil NACA 66005 modifié avec un bord d'attaque plutôt fin, une flèche de 26° à 25 % de la corde, et un bord de fuite de 5 cm d'épaisseur à l'emplanture et 0,9 à l'extrémité. A l'intérieur de chaque aile s'articulait un volet plein pouvant s'abaisser hydrauliquement jusqu'à 40° à l'atterrissage. Le revêtement, en inconel X, avait une épaisseur variant entre 1 mm au saumon et 2,3 mm à l'emplanture de l'extrados. La structure interne était entièrement en alliage au titane.

Les deux longerons avant et arrière du caisson, auxquels se raccordaient les bords d'attaque et de fuite, avaient des nervures droites alors que les longerons intermédiaires portaient des nervures ondulées, raccordées en ciseaux au revêtement. Trois raidisseurs transversaux, identiques aux longerons principaux, les complétaient.

A l'avant du bord d'attaque, zone la plus chaude, une barre pleine en Inconel X, découpée en cinq segments pour éviter les déformations, servait de bouclier thermique. L'aile était fixée au fuselage par un cadre comprenant neuf ferrures en alliage au titane. Avec 15° de dièdre négatif, les stabilisateurs horizontaux monobloc et à commande hydraulique, avaient une épaisseur relative et un profil identiques à ceux de la voilure. Leur revêtement, d'une épaisseur constante de 1,3 mm, était en Inconel X. La structure comprenait un longeron principal également en inconel, supportant la plupart des contraintes.

Les dérives portaient chacune une partie mobile dont le débattement était de 7,5° de part et d'autre de l'axe longitudinal de l'avion. Leur profil était un triangle isocèle avec un bord d'attaque formant un angle au sommet de 10°. Structure et revêtement faisaient appel aux même matériaux que la profondeur. Les aérofreins étaient installés par paires de part et d'autre de chaque dérive, au plus près du fuselage. Sur la dérive ventrale, la partie mobile qui faisait fonction de gouverne était larguée avant l'atterrissage pour dégager une garde au sol suffisante. Larguée par le pilote ou à l'abaissement des patins d'atterrissage, elle était récupérée grâce à un parachute pour être réutilisée.

Fuselage.

Le fuselage était découpé en trois sections. La section avant, du nez à la cloison avant du réservoir d'oxygène, était semi-monocoque. Elle comprenait le train avant, le cockpit et une partie de la soute à équipements, avec un revêtement en sandwich. La coque intérieure, en alliage d'aluminium, était pressurisée. La coque extérieure était en Inconel X. Entre les deux coques reliées par des pièces en alliage au titane, était une âme isolante en enrobage de verre.

La section centrale abritait les réservoirs de comburant et de combustible. Aucune isolation thermique n'étant ici nécessaire, la structure était entièrement monocoque, en alliage de titane; l'épaisseur de celui-ci, imposée par les contraintes mécaniques, était suffisante pour absorber les contraintes thermiques.

Fermé par des cloisons semi-toriques et divisé en trois compartiments, le réservoir d'oxygène liquide était de conception annulaire avec cylindre concentrique à un cylindre extérieur formant structure. Il contenant 3914 litres d'oxygène liquide à – 196°C. Le réservoir de combustible (éthanol ou ammoniaque), de construction identique, avait une capacité de 5470 litres.

Dans le cylindre intérieur du réservoir de comburant était logé un réservoir de 196 litres d'hélium comprimé à 253 kg/cm2 et destiné à propulser les propergols vers la chambre de combustion du moteur.

Afin d'éviter les problèmes de centrage dû à l'allégement des réservoirs (le X-15 brûlerait près de 9 tonnes de propergols en 90 s), le combustible et l'oxydant étaient toujours expulsés vers le centre de gravité, c'est à dire vers l'arrière du réservoir avant, et inversement. A l'arrière du réservoir de combustible, une bonbonne sphérique contenait le peroxyde d'hydrogène pressurisé à l'hélium et nécessaire à l'alimentation de la turbopompe du moteur.

La section arrière était semi·monocoque avec un revêtement extérieur en Inconel X riveté à une structure interne en alliage au titane prévue pour résister aux fortes contraintes qu'elle subirait : elle enfermait le moteur, les patins d'atterrissage, et portait les empennages.