X-37B的前两次飞行都取得了成功。首次试飞从2010年4月22日开始，由运载火箭发射升空。2010年12月3日，成功返回地面，225天的飞行近乎完美。
第二次发射试飞从2011年3月5日开始，原计划飞行9个月，但美国空军后来希望进一步测试其耐力，于是，X-37B在177千米～800千米的轨道上飞行了469天，2012年6月16日成功着陆。
从前两次试飞情况看，X-37B进一步扩大了机动变轨范围和轨道横向飞行范围，动力系统工作更加稳定、燃效更高，太阳能电池工作的持久性更强，各关键技术均经受住了考验。
目前，天空领域内的各种兵器已近物理极限，空天成为美军获得更大非对称优势的希望所在。据报道，美国空军也提出希望增加X-37B数量，波音公司已对外披露X-37B的放大版X-37C的研制计划。
美国空军反复实验验证X-37B，根本目的就是为空天飞机作战概念研究提供支持，降低未来型号研制风险。这意味着，新型空天兵器已具雏形。随着各项技术走向成熟，美军必将加速推进X-37B登上战争舞台。