De planlagte testflyvningene starter med at X-51 og hjelperaketten blir løftet til en høyde på 10 500 meter (35 000 fot) av et B-52 moderfly. Etter at X-51 er sluppet, sstartes hjelperaketten og bringe ekvipasjen opp i en hastighet på omkring Mach 4,5. Ved denne hastigheten startes scramjetmotoren, og hjelperaketten kobles fra. Planen er at scramjetmotoren skal brenne i minst 5 minutter, og bringe X-51 opp i en hastighet på Mach 6,5. Etter at drivstoffet (JP-7) er oppbrukt, foretar X-51 en kontrollert kræsjlanding i havet (den blir ikke gjenbrukt). Den første testflyvningen ble gjennomført 26. mai 2010. Testen varte i nesten 3 og et halvt minutt, og X-51 oppnådde en hastighet på Mach 5. Den fjerde (og foreløpig siste) testflyvningen ble gjennomført 1. mai 2013. Denne testen varte i 6 minutter, og flyet oppnådde en hastighet på Mach 5,1.