Primær- og sekundærstrukturer i X-34 var bygd av kompositt-materialer og var designet for hastigheter opp til Mach 8 og høyder på 80 000 meter. Flyet skulle bringes opp ved hjelp av et Lockheed L-1011 «TriStar» moderfly, og slippes i stor høyde. Hovedmotoren var en ettrinns gjenbrukbar Fastrac rakettmotor for flytende drivstoff. Denne motoren var blitt utviklet på to og et halvt år av ingeniører ved NASAs , og var designet med få bevegelige deler og lave produksjonskostnader for øye. Hver motor ville koste omkring 1,2 millioner USD – omtrent en femtedel av hva tilsvarende rakettmotorer kostet. X-34 var utstyrt med et trepunkts innfellbart landingsunderstell med hjul.