Для проведения испытаний аппарат был подвешен на подкрыльевом пилоне бомбардировщика B-52H, выполнившего взлет с авиабазы «Эдвардс». Пуск был произведен на высоте 50000 футов (15200 м) над морским полигоном «Пойнт Мугу» в 10:55 по тихоокеанскому времени. Стартовый ускоритель разогнал X-51 до скорости 4,8М, после чего успешно отделился вместе с промежуточной ступенью. Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель компании «Пратт энд Уитни Рокетдайн» также успешно запустился и позволил ГЛА развить скорость 5,1М (6100 км/ч). После полного израсходования топлива JP-7, прошла команда на самоуничтожение аппарата.

По заявлению разработчиков, все поставленные цели испытаний были выполнены. В ходе полета продолжительностью 6 минут аппарат пролетел 426 км. Полет на гиперзвуковой скорости продолжался три с половиной минуты.

Данные испытания стали четвертым и первым успешным пуском X-51A. Предыдущие три полета завершились неудачно.

Консорциум «Боинг»/«Пратт энд Уитни Рокетдайн» изготовил для ВВС США, Агентства перспективных оборонных научно-исследовательских проектов МО США (DARPA) и НАСА, в интересах которых реализуется программа, четыре опытных образца X-51A, оснащенных гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем.

Длина X-51A составляет 17 футов (5,15 м). Особенностью разработанного «Пратт энд Уитни» ГПВРД SJY61, рассчитанного на максимальную скорость полета 8М, является применение на первом этапе газообразного этилена, а затем обычного углеводородного топлива (авиационный керосин JP-7).

Первый пуск аппарата X-51A с борта бомбардировщика B-52 ВВС США провели 26 мая 2010 года. Спустя четыре секунды после запуска на высоте 19500 м успешно отделился стартовый твердотопливный ускоритель, который разогнал аппарат до скорости 4,8 M. Включившийся затем прямоточный воздушно-реактивный двигатель проработал около 200 сек и увеличил скорость X-51A до 5М. Однако из-за периодического пропадания телеметрических сигналов, поступающих с борта X-51A, летательному аппарату была дана команда на самоликвидацию.

Второй аппарат через 9,5 с после пуска, состоявшегося 13 июня 2011 года, упал в акватории Тихого океана недалеко от побережья Калифорнии. Из-за технической неисправности ГПВРД не смог перейти с режима работы на этиленовом горючем, применявшемся на начальном участке разгона, на углеводородное горючее JP-7, предназначенное для обеспечения работы на маршевом участке.

В ходе третьего испытания, состоявшегося 14 августа 2012 года, после 16 секунд полета еще до прекращения работы твердотопливного ускорителя произошел отказ в работе одного из стабилизаторов системы управления полетом аппарата. В результате X-51 не смог выйти на режим управляемого полета и упал в океан.

По заявлению президента «Боинг фантом уоркс» Даррила Дэвиса, успешная  демонстрация ГЛА с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем доказывает, что разработка технологии вышла на этап, позволяющий начать его практическое применение в оборонной сфере.

По оценке компании, реализация программы X-51A позволит получить знания и технологии, необходимые для разработки перспективных гиперзвуковых вооружений, способных выполнять полет на максимальной скорости и с высокой точностью поражать цели, а также аппаратов для гражданского применения.