X-3的“首飞”日期为1952年10月15日,由道格拉斯的飞行员 Bill Bridgeman驾驶。实际上那天只是要进行一次高速滑行测试,但出人意料的是,Bridgeman 竟驾驶着X-3起飞了,它在飞了约1英里后降落。官方承认的首飞日期为1952年10月20日,飞行员仍为Bill Bridgeman,这次飞行持续了约20分钟。至1953年12月,Bridgeman总共完成了26次飞行(包括那次没被官方承认的“首飞”)。这几次试飞使人们意识到了一个大问题:X-3的动力严重不足,而且很难操纵。它的起飞速度异乎寻常的高(260节,即482km/h),更糟的是,它的性能没有达到要求。它的第一次超音速飞行是一次向下15度的俯冲,速度为1.1马赫。X-3的最高速度为1.208马赫,这是它在1953年7月28日的一次向下30度的俯冲时达到的。
1954年8月23日,NACA的飞行员 Joseph A . Walker完成了他的检验性试飞,在1954年9月至10月间,他又完成了八次试飞。1954年10月后期,对X-3的研究又将机身后部的稳定性与全机的方向控制包括了进来。在这些测试中,X-3将会在接近音速或超音速飞行时,在不转动方向舵的前提下突然做出横滚动作。虽然X-3拥有这样或那样的缺点,但是对于这些测试来说,X-3正是理想的机型。它的发动机,燃料和结构都集中在了它那又细又长的机身里,并且它的机翼又短又粗。这种布局的结果是:X-3的负载集中在了机身上而不是机翼上。它是试验机的典型布局。NACA的测试使X-3完成了几次很成功的试飞,但也使这架飞机差点坠毁。