Det første X-4-flyet med serienummer 46-676, ble levert til Muroc Air Force Base (nåværende NASA Dryden Flight Research Center), California i november 1948. Etter en del tester på bakken ble jomfruturen gjennomført 16. desember 1948 med Northrops testpilot Charles Tucker ved spakene. Oversvømmelse av landingsstripen like etter, forhindret flere testflyvninger før april 1949. Den første X-4 hadde mange mekaniske problemer, og gjennomførte bare 10 flyvninger. Det andre X-4 med serienummer 46-677 ble levert under en pause i testflyvningene, og viste seg å være langt mer pålitelig enn det første. Det fløy første gang 7. juni 1949 og gjennomførte 20 testflyvninger før overlevering til USAAF og NACA 17. februar 1950. Det første X-4-flyet fløy aldri igjen, men fungerte som reservedelsfly til det andre X-4.