ביולי 1899 העמיד וילבור למבחן את טכניקת קיפול הכנפיים (wing warping) על ידי בניית והטסת דגם עפיפון דו־כנפי שמוטת כנפיו הייתה באורך מטר וחצי. כשהכנפיים קופלו, או סובבו, קצה אחד של הכנפיים יצר כוח עילוי רב יותר, והקצה השני יצר כוח עילוי נמוך יותר. אי־השוויון בכוחות העילוי שהופעלו בשני הצדדים, גרם לכנפיים לטוס בשיפוע: הצד שבו פעל כוח עילוי רב יותר התרומם, והצד השני ירד מטה, ובכך השתנה כיוון התנועה של הקצה התחתון של העפיפון. קיפול הכנפיים התבצע בעזרת ארבעה חבלים שנקשרו לעפיפון, עליהם שלט מפעיל העפיפון בעזרת מקלות המחוברים לחבלים, על ידי הזזת המקלות בכיוונים מנוגדים כדי לסובב את הכנפיים.
בשנת 1900 נסעו האחים לקיטי הוק (Kitty Hawk) בצפון קרוליינה כדי להחל בניסויי טיסה מאוישים. בתשובה למכתבו הראשון של וילבור, הציע אוקטב שנוט את החוף האטלנטי התיכון כמיקום מתאים לעריכת הניסויים, בשל הרוחות המנשבות בו והחוף החולי הרך שיכול לשמש משטח נחיתה. וילבור אף בחן היטב את נתוני שירות מזג האוויר האמריקאי, ובחר בקיטי הוק כמיקום הניסויים לאחר שקיבל נתוני מזג אוויר על המקום מהמטאורולוג הממשלתי של האזור. על אף שהיה זה מקום נידח, הוא היה קרוב יותר לדייטון מאשר מקומות אחרים שהציע שנוט, לרבות קליפורניה ופלורידה. עריכת הניסויים במקום זה אף אפשרה לאחים פרטיות ואי־התערבות של העיתונאים, שגרמו לניסוייו של שנוט בימת מישיגן ב־1896 להפוך למעין קרקס. שנוט ביקר אותם באתר הניסויים בכל תקופת הניסויים משנת 1901 עד 1903 וצפה בניסויי דאייה, אך לא בטיסות ממונעות.
רחפנים.
האחים רייט ביססו את עיצוב הרחפנים בגודל מלא על עבודות שנעשו בשנות ה-90 של המאה התשע-עשרה על ידי חלוצי תעופה אחרים. הם אימצו את העיצוב הבסיסי של הרחפן הדו-כנפי של שאנוטה-הרינג, שטס היטב בניסויים בשנת 1896 ליד שיקגו. הם השתמשו בנתונים אווירונאוטיים של כוח העילוי שפרסם אוטו ליליינטל. האחים תכננו את הכנפיים תוך עיקום משטחי הכנפיים ועיקול המשטח העליון. האחים לא גילו את העיקרון הזה, אלא ניצלו אותו. העילוי הטוב יותר של משטח מעוקל בהשוואה למשטח שטוח נדונה לראשונה מדעית על ידי סר ג'ורג 'קיילי.
ליליינטל, שאת עבודתו חקרו האחים בקפידה, השתמש בכנפיים מעוקלות ברחפנים שלו, והוכיח את יתרונן על פני משטחים ישרים. מוטות העץ בין כנפי הרחפן של האחים רייט הוצמדו על ידי חוטים, בעיצוב במבנה גשר-סבכה. הם השתמשו בעיצוב זה עבור הרחפן הדו-כנפי (שנבנה בתחילה כתלת כנפי). האחים הרכיבו את הגה הגובה לפני הכנפיים ולא מאחור, ככל הנראה הם האמינו שתכונה זו תסייע להם להגן על הטייס מפני התרסקות, כמו זו שהרגה את ליליינטל.
וילבור האמין באופן שגוי שזנב אינו הכרחי, ולשני הרחפנים הראשונים שלהם לא היה זנב. על פי כמה ביוגרפים של האחים רייט, וילבור כנראה עשה את כל הגלישות עד 1902, אולי כדי להפעיל את סמכותו כאח גדול יותר ולהגן על אורוויל מפני פציעה, מכיוון שהוא ביקש להימנע ממתן הסברים לאביהם, הבישוף רייט, אם אורוויל ייפצע.
ליליינטל ביצע בדיקות "זרוע מסתחררת" על צורות כנפיים בודדות בלבד, והאחים הניחו בטעות שהנתונים חלים על כנפיהם, שהיו בעלות צורה שונה. הם עשו צעד עצום קדימה וביצעו בדיקות בסיסיות באמצעות מנהרות רוח על 200 כנפיים בעלות צורות רבות ועקומות משטחים. בהמשך נערכו בדיקות מפורטות על 38 מהן. המבחנים, על פי הביוגרף פרד האוורד, "היו הניסויים האוויריים המכריעים והפוריים ביותר שנעשו אי פעם בזמן כה קצר עם כל כך מעט חומרים ובעלות מועטה כל כך". תגלית חשובה הייתה היתרון של כנפיים צרות וארוכות יותר: במונחים אווירונוטיים, כנפיים עם יחס גובה-רוחב גדול יותר. כנפים בצורות אלה הציעו יחס עילוי-גרר טוב בהרבה מאשר הכנפיים הרחבות יותר שניסו האחים עד כה.
עם הידע שצברו באמצעות מנהרות הרוח, האחים רייט תכננו את הרחפן שלהם מ-1902. באמצעות תגלית מכריעה נוספת ממנהרת הרוח, הם הפכו את משטח האיזון לשטוח יותר, והפחיתו את עומק העקמומיות של הכנף. בכנפיים של דגם 1901 הייתה עקמומיות גדולה יותר באופן משמעותי, תכונה מאוד לא יעילה, שהעתיקו האחים ישירות מליליינטל. אך לאחר שהיו בטוחים לחלוטין בתוצאות מנהרות הרוח החדשות שלהם, ויתרו האחים רייט על הנתונים של ליליינטל, וביססו את עיצובם על פי חישוביהם.
בזהירות אופיינית, האחים הטיסו לראשונה את הרחפן משנת 1902 כרחפן בלתי מאויש, כפי שעשו בשתי הגרסאות הקודמות שלהם. בהישען על העבודה במנהרת הרוח שלהם. הרחפן ייצר את מידת העילוי הצפויה. היה לרחפן גם מאפיין חדש: הגה אנכי קבוע ואחורי, שהאחים קיוו שימנע בעיות בהלך ביצוע סיבוב. ב-1902 האחים הבינו כי העיוות בכנפיים יוצר "גרר דיפרנציאלי" בקצותיהן. הרמה גדולה יותר בקצה אחד של הכנף גם הגבירה את הגרר, שהאט את קצה הכנף, מה שגרם לרחפן להסתובב - או "לסיבוב" - כך שהאף פנה לעבר הסיבוב. כפי שהתנהג הרחפן חסר הזנב מ-1901.
הוספת מנוע.
בשנת 1903 בנו האחים את רייט רחפן-ממונע, תוך שימוש בחומר המועדף עליהם לבנייה, אשוח. זהו עץ חזק וקל משקל, והשתמשו ביריעת כותנה לכיסוי פני השטח. הם גם תכננו וגילפו את מדחפי העץ שלהם. הם הסתייעו במנוע בנזין ייעודי שהרכיבו בחנות האופניים שלהם. הם חשבו שתכנון מדחפים יהיה עניין פשוט והתכוונו להתאים נתונים לפי מדחפי אניות. עם זאת, לאור מחקריהם לא גילו שום נוסחאות עבור מדחפים ימיים או אוויריים. כך מצאו את עצמם ללא נקודת התחלה בטוחה. הם דנו והתלבטו בשאלה, לפעמים בלהט, עד שהגיעו למסקנה כי מדחף אווירונאוטי הוא בעצם כנף המסתובבת במישור האנכי. על בסיס תובנה זו, הם השתמשו בנתונים ממבחני מנהרות רוח שלהם כדי לתכנן את המדחפים שיצרו. הלהבים המוגמרים היו באורך של כ-2.4 מטרים, עשויים משלושה לוחות של אשוח מודבקים זה לזה. האחים רייט החליטו על מדחפים תאומים (מסתובבים בכיוונים נגדיים כדי לבטל את מומנט הסיבוב), שיפעלו על כמות אוויר גדולה יותר מאשר מדחף איטי יחסית ולא יפריעו לזרימת האוויר מעל קצות הכנפיים.
וילבור ערך כתבה במרץ 1903 במחברתו המציינת כי המדחף של אב-הטיפוס היה יעיל ב 66%. בבדיקות של מנהרות רוח על מרבית מדחפים מ-1903 מראות שהן היו יעילות ביותר מ-75% בתנאי הטיסות הראשונות, "הישג יוצא דופן" ולמעשה היו המדחפים שלהם בעלי יעילות שיא של 82%.
האחים כתבו למספר יצרני מנועים, אך איש מהם לא יכול היה לענות על הצורך שלהם במנוע קל מספיק. הם פנו למכונאי בחנות שלהם, צ'רלי טיילור, שבנה מנוע תוך שישה שבועות בלבד בהתייעצות צמודה עם האחים. כדי לשמור על המשקל, בלוק המנוע היה יצוק מאלומיניום, כנהוג באותה תקופה. למנוע רייט/טיילור הייתה גרסה פרימיטיבית של קרבורטור, ולא הייתה לו משאבת דלק. בנזין הוזן מכוח המשיכה ממכל הדלק שהורכב על הכנף אל תוך תא הסמוך לבוכנות, שם הוא עורבב עם אוויר: תערובת דלק-אוויר התאיידה אז בחום מהארכובה, ודחפה אותו אל גליל הבוכנה.
שרשראות ההנעה ברחפן היו דומות לאלה של האופניים. הן סופקו על ידי יצרן שרשרות רכב כבד. עלות הרחפן הייתה פחות מאלף דולר, בניגוד ליותר מ-50,000 דולר בכספים ממשלתיים שהוענקו לסמואל לאנגלי עבור המטוס הגדול שלו. בשנת 1903 הערך של 1000 דולר היה שקול ל-28,000 דולר בשנת 2019. לרחפן של האחים רייט הייתה מוטת כנפיים של 12.3 מטרים, משקל 274 ק"ג. הספק המנוע שלו היה 12 כוחות סוס (8.9 קילוואט).
הטיסה הראשונה.
במהלך ההכנות התמודדו האחים רייט במשך שבועות עם עיכובים, שנגרמו בשל להבי מדחפים שבורים במהלך בדיקות המנוע. לאחר החלפת הלהבים (שדרשו שתי נסיעות הלוך וחזור לדייטון), ווילבור זכה בהטלת מטבעות ועשה ניסיון טיסה ראשון בן שלוש שניות ב-14 בדצמבר 1903, ונעצר לאחר ההמראה תוך גרימת נזק קל לרחפן. מכיוון ש-13 בדצמבר 1903 היה יום ראשון, האחים לא עשו ניסיונות באותו יום, למרות שמזג האוויר היה טוב, ולכן טיסת המבחן המונעת הראשונה שלהם התרחשה במלאת 121 שנה לטיסת המבחן הראשונה בכדור פורח שהאחים מונטגולפייר, שהתקיימה ב-14 בדצמבר 1782. בהודעה למשפחתם התייחס וילבור לניסיון הראשון כאל "הצלחה חלקית בלבד", וקבע כי "כוח הרחפן רב, אך בגלל טעות מזערית ובגלל וחוסר ניסיון במכונה זו ושיטת התנעה זו. אחרת המכונה הייתה ללא ספק עפה יפה."
לאחר תיקונים המריאו סוף סוף האחים ב-17 בדצמבר 1903, ויצאו לשתי טיסות כל אחת מהקרקע המישורית באמצעות רוח מקפיאה במהירות של 43 קמ"ש. לטיסה הראשונה, המריא אורוויל בשעה 10:35 בבוקר, עבר של 37 מטרים תוך 12 שניות, במהירות של 10.9 קמ"ש מעל פני הקרקע, הטיסה תועדה בתצלום מפורסם. שתי הטיסות הבאות עברו מרחקים של 53 ו-61 מטרים, הוטסו על ידי וילבור ואורוויל בהתאמה. גובהם היה כ-3.0 מטרים מעל פני האדמה. להלן תיאורו של אורוויל רייט על הטיסה האחרונה של היום:
וילבור התחיל את הטיסה הרביעית והאחרונה בדיוק בשעה 12. עשרות המטרים הראשונים היו תנודות מעלה ומטה, כמו קודם, לאחר שחלף על פני כמאה מטרים. המכונה הייתה בשליטה הרבה יותר טובה. הטיסה לאורך מטרים הבאים לא הייתה כמעט ללא תנודות. עם זאת, לאחר 280 מטרים בערך המכונה החלה להתנדנד, ובאחת הנטיות שלה כלפי מטה, פגעה בקרקע. המרחק מעל הקרקע נמדד 852 רגל; זמן הטיסה היה 59 שניות. המסגרת התומכת בהגה הקדמי ניזוקה קשות, אך חלקה העיקרי של המכונה כלל לא נפגע. הערכנו שניתן יהיה להשיב את המכונה לטיסה בעוד יום או יומיים.