Sam silnik strumieniowy działał nieprzerwanie przez 140 sekund. Poprzedni, najdłuższy tego typu lot trwał 12 sekund, wykonał go X-43. Po wyczerpaniu się paliwa maszyna spadła do oceanu. Drugi lot odbył się 13 czerwca 2011 roku. Samolot został wyniesiony na wysokość 15 000 m, gdzie po zrzucie uruchomił się silnik rakietowy, rozpędzając aparat do Ma=5. Nastąpił zapłon silnika strumieniowego przy użyciu etylenu, ale z powodu awarii nie zaczął on pobierać paliwa JP-7 i przedwcześnie spadł do oceanu. Równie nieudana była trzecia próba 14 sierpnia 2012 roku. Po wyniesieniu na zadaną wysokość X-51 oddzielił się od nosiciela, silnik rakietowy zadziałał prawidłowo i po zużyciu paliwa odpadł, ale nie uruchomił się silnik strumieniowy. Po 16 sekundach lotu samolot w niekontrolowanym locie spadł do oceanu. Przyczyną awarii była uszkodzona prawa górna lotka samolotu. Dopiero czwarty i jak się okazało ostatni lot X-51 zakończył się pełnym sukcesem. 1 maja 2013 roku samolot został wyniesiony na zadany pułap, odłączył się od B-52 i silnik rakietowy rozpędził maszynę do prędkości 5100 km/h (Ma=4,8). Prawidłowo uruchomił się silnik strumieniowy, rozpędzając X-51 do prędkości 5400 km/h (Ma=5,1). Lot trwał 210 sekund i jest to do chwili obecnej najdłuższy lot hipersoniczny w historii.