Skúšobný pilot left|170px|Neil Armstrong vo veku 26 rokov v čase, keď pracoval ako skúšobný pilot NACA na Edwardsovej leteckej základni v Kalifornii Po dokončení univerzity sa rozhodol stať civilným skúšobným pilotom Národného poradného výboru pre letectvo (NACA; predchodca NASA): zažiadal si o zamestnanie v High-Speed Flight Station (dnes Armstrongovo letecké výskumné stredisko) na Edwardsovej leteckej základni v Kalifornii. Nebolo tu voľné miesto, preto prijal miesto v inom stredisku NACA, Lewisovom laboratóriu leteckého pohonu v Clevelande, kde pracoval od marca 1955. V júli 1955 prešiel na Edwardsovu základňu. Na Edwardsovej základni spočiatku pilotoval sprievodné lietadla, ktoré sledovali experimentálne lietadlá. Lietal aj na upravených bombardéroch, pri jednom z týchto letov sa stala jeho prvá letecká nehoda. Dňa 22. marca 1956 mala posádka Boeingu B-29 Superfortress, s Armstrongom ako druhým pilotom, vypustiť podvesené experimentálne prúdové lietadlo Douglas D-558-2 Skyrocket. Potom, čo vystúpili do výšky 9,1 km, motor č. 4 Boeingu zlyhal. Pristáť s podveseným Skyrocketom nemohli a nemali dostatočnú rýchlosť (338 km/h) na jeho vypustenie. Kapitán Boeingu, Stan Butchart, preto stočil lietadlo do klesania. Keď získali rýchlosť, vypustili Skyrocket. V tej chvíli sa vrtuľa štvrtého motora rozpadla a jej úlomky poškodili motor č. 3 a trochu aj č. 2. Butchart a Armstrong museli vypnúť poškodený motor č. 3 a aj kvôli vyrovnaniu momentu motora č. 1. Iba s jedným motorom v chode potom pomaly krúživým letom znížili výšku a bezpečne pristáli. Prvého letu v raketovom lietadle sa Armstrong dočkal 15. augusta 1957, kedy v Bell X-1B vyletel do výšky 18,3 km. Pri pristátí odlomil predné koleso podvozku, čo bola nehoda, ktorá sa u X-1 už skôr stala asi dvanásťkrát. Jej príčinou bola chyba konštrukcie lietadla. Od októbra roku 1958 sa zúčastnil testovania raketového lietadla North American X-15. Od novembra 1960 do júla 1962 uskutočnil s lietadlami X-15 celkovo sedem letov, na stroji X-15-3 dosiahol výšku 63,2 km a na stroji X-15-1 dosiahol rýchlosť Mach 5,74 (t. j. 6 615 km/h). Armstrong bol zapletený do niekoľkých incidentov, ktoré sa na Edwardsovej základni dostali do tamojšieho folklóru a spomienok pilotov. Prvý nastal počas jeho šiesteho letu s X-15 dňa 20. apríla 1962, pri ktorom testoval automatický kontrolný systém lietadla, ktorý pomáhal vyvíjať. Stúpal do výšky viac ako 63 km (najvyššia, akú dosiahol pred kozmickými letmi), ale počas zostupu predok lietadla zdvihol príliš a X-15 sa odrazil od atmosféry späť do 43 km. Nad domovským letiskom preletel trojnásobkom rýchlosti zvuku vo výške 30 km, a dostal sa 64 km južne od Edwards (legendy základne hovoria, že doletel až ku štadiónu Rose Bowl v Pasadene). Po dostatočnom zostupe sa vrátil na Edwards, kde len tak-tak dokázal pristáť bez nárazu do júk na južnom konci dráhy. Bol to najdlhší let X-15 ako z hľadiska času, tak vzdialenosti. right|Neil Armstrong pred experimentálnym lietadlom X-15 na Edwardsovej leteckej základni, 1. január 1960 Neskôr bol Armstrong účastníkom iného incidentu, pri jednej príležitosti, kedy letel s Chuckom Yeagerom. Mali s Lockheedom T-33 zhodnotiť vhodnosť vyschnutého jazera Smith Ranch Dry Lake ako miesta pre núdzové pristátie v programe X-15. Vo svojej autobiografii Yeager napísal, že vedel, že jazero bolo po nedávnych dažďoch nevhodné pre pristátie, ale Armstrong trval na lete v každom prípade. Pri pokuse o letmé pristátie sa im kolesá zaborili do bahna a museli čakať na záchranu. Podľa Armstrongovej verzie udalostí sa Yeager nikdy nepokúšal vyhovoriť mu let a úspešne pristáli na východnej strane jazera. Potom Yeager povedal, aby to skúsili znovu, tentoraz trochu pomalšie. Pri druhom pristátí sa prilepili k povrchu a Yeager podľa Armstronga reagoval záchvatom smiechu. Veľa skúšobných pilotov na Edwardsovej základni chválilo Armstrongove inžinierske zručnosti. Milt Thompson povedal, že bol „technicky najschopnejší z prvých pilotov X-15“. William Harvey Dana o Armstrongovi vyhlásil, že „jeho myseľ vstrebávala informácie ako huba“. Vojenskí piloti mali tendenciu mať iný názor, najmä ak, ako Yeager a William John Knight, nemali inžinierske diplomy. Knight sa nechal počuť, že piloti-inžinieri sa častejšie dostávali do problémov, pretože pri svojom mechanickom prístupe nemali prirodzený cit pre lietanie. Dňa 21. mája 1962 sa Armstrong stal účastníkom nehody, ktorá vošla do folklóru Edwardsovej základne ako „Nelliská aféra“. Mal v Lockheede F-104 Starfighter obhliadnuť ďalšiu plochu pre núdzové pristátie, Delamar Dry Lake v južnej Nevade. Armstrong pri pristávaní podcenil svoju výšku a neuvedomil si, že nemá úplne vysunutý podvozok. Pri dosadnutí sa podvozok začal zaťahovať späť. Podarilo sa mu prerušiť pristátie a vzlietnuť, ale s poškodeným podvozkom a nefunkčnou vysielačkou. Pristál na blízkej Nellisovej leteckej základni, pričom sa ešte poškodil o dráhu. Domov ho mal dopraviť Milt Thompson v dvojmiestnom F-104B, ktoré pilotoval prvýkrát v živote (iné viacmiestne lietadlo práve nebolo k dispozícii). Thompson sa s veľkými ťažkosťami dostal nad Nellisovu základňu, ale kvôli silnému bočnému vetru pristál príliš tvrdo, praskla mu ľavá pneumatika, a dráha sa musela znova upratovať. Pre oboch pilotov priletel kolega Bill Dana v T-33 Shooting Star, keď nelliský riadiaci letov videl jeho (príliš dlhé) pristátie, radšej zaistil skúšobným pilotom z Edwards odvoz po ceste. Ako skúšobný pilot sa Armstrong zúčastnil testov lietadiel F-100A Super Sabre a F-100C Super Sabre, F-101 Voodoo a F-104A Starfighter. Lietal aj na F-105 Thunderchief, F-106 Delta Dart, B-47 Stratojet, KC-135 Stratotanker, experimentálnych X-1B a X-5. Keď v roku 1962 z High-Speed Flight Station odišiel, mal nalietaných vyše 2 450 hodín. Počas svojej kariéry lietal na viac ako dvoch stovkách typov lietadiel, vrtuľníkov, kozmických lodí a iných lietajúcich aparátov. Vo voľných chvíľach sa venoval bezmotorovému lietaniu. Koncom 50. rokov tiež viedol oddiel skautov pri miestnej metodistickej obci, sám sa však označoval za deistu.