X-3是早期試驗機中看上去最先進的，但是這個計畫的成果卻不令人滿意。X-3計畫的目標很有野心：它會自己從地面起飛（以往的試驗機都由母機帶到空中），爬升到很高的高度，保持以2馬赫的巡航速度飛行，然後自行降落。這架飛機的另一個任務是測試它的低縱橫比機翼和鈦的套用。
1949年6月30日，兩架X-3被批准開始建造。由於原計畫為它們配備的Westinghouse J46發動機無法達到推力，尺寸和重量的要求，所以它被推力更低的Westinghouse J34發動機取代，這種發動機在開著加力時也只能提供4900磅的推力，遠遠低於計畫中的7000磅。第一架X-3完工後，在1952年9月11日被送往加利福尼亞州的愛德華空軍基地。第二架X-3的建造被中止，因為它的發動機與機身都有小毛病，在分解後，它被用作備用零件。
X-3的“首飛”日期為1952年10月15日，由道格拉斯的飛行員 Bill Bridgeman駕駛。實際上那天只是要進行一次高速滑行測試，但出人意料的是，Bridgeman 竟駕駛著X-3起飛了，它在飛了約1英里後降落。官方承認的首飛日期為1952年10月20日，飛行員仍為Bill Bridgeman，這次飛行持續了約20分鐘。至1953年12月，Bridgeman總共完成了26次飛行（包括那次沒被官方承認的“首飛”）。這幾次試飛使人們意識到了一個大問題：X-3的動力嚴重不足，而且很難操縱。它的起飛速度異乎尋常的高（260節，即482km/h），更糟的是，它的性能沒有達到要求。它的第一次超音速飛行是一次向下15度的俯衝，速度為1.1馬赫。X-3的最高速度為1.208馬赫，這是它在1953年7月28日的一次向下30度的俯衝時達到的。
隨後，X-3在1953年12月被送到美國空軍，進行約定好的測試。X-3的低性能使整個計畫不得不被簡化。Frank Everest上校與查克·葉格各飛了三次。儘管是由美國空軍飛行員來駕駛，但這幾次試飛卻被算做是NACA完成的。1954年7月查克·葉格最後一次駕駛X-3之後，NACA決定利用X-3來完成很少的試飛工作。最初的幾次試飛被用來研究縱向穩定性，操縱性，機翼及尾翼負荷和氣壓。
1954年8月23日，NACA的飛行員 Joseph A . Walker完成了他的檢驗性試飛，在1954年9月至10月間，他又完成了八次試飛。1954年10月後期，對X-3的研究又將機身後部的穩定性與全機的方向控制包括了進來。在這些測試中，X-3將會在接近音速或超音速飛行時，在不轉動方向舵的前提下突然做出橫滾動作。雖然X-3擁有這樣或那樣的缺點，但是對於這些測試來說，X-3正是理想的機型。它的發動機，燃料和結構都集中在了它那又細又長的機身里，並且它的機翼又短又粗。這種布局的結果是：X-3的負載集中在了機身上而不是機翼上。它是試驗機的典型布局。NACA的測試使X-3完成了幾次很成功的試飛，但也使這架飛機差點墜毀。
1954年10月27日，Walker 在X-3速度達到0.92馬赫，高度為30000英尺（9100米）時做出了一個很突然的向左橫滾。
X-3的橫滾與預料中的相同，但是橫滾時它有20度的顛簸和16度的偏向。這架飛機旋轉了足足5秒，然後它才重新獲得了控制。緊接著，Walker駕駛著飛機去完成下一個任務。他讓X-3進行俯衝，並且在高度為32356英尺（9862米）時把它加速到了1.154馬赫，這時他又做出了一個很突然的向左橫滾。 X-3在這時猛烈地向下加速，設定了一項新的重力加速度記錄：-6.7g（-66 m/s²），然後它又向上加速到+7g(69 m/s²)。與此同時，X-3又在傾斜著飛行，又是一個2g（20 m/s²）的重力加速度。儘管這樣，Walker 最後還是控制住了飛機並且成功地降落了。
後來的研究發現，在那個時候X-3的機身負載已經達到了極限。如果飛機繼續加速的話就可能會解體。Walker與他的X-3一同經歷了“橫滾慣性力偶”：在一個軸上的機動會引起另外一個或兩個軸不受控制地機動起來。與此同時，一些F-100也經歷了相似的險境。為了研究這個現象和解決這個問題，NACA專門開展了一項計畫。
對於X-3來說，這幾次經歷“慣性力偶”的飛行是整個計畫的頂峰。在將近一年之後，X-3被送到地面保存，它再也沒有飛過。Walker在1955年9月20日至1956年5月23日之間又完成了10次飛行。這架飛機隨後被送到美國空軍博物館，並在那裡退役。儘管X-3沒有達到“在巡航速度為2馬赫時提供有關空氣動力的數據”的要求，它在軍中服役的時間還是很有價值的。這架飛機展示出了“慣性力偶”的危險性，並且為對於這個現象的研究提供了數據。它的機翼樣式被用在了F-104上，而且它還是第一批套用了鈦的飛機之一。X-3極高的起飛與降落速度又促使了輪胎技術的發展。
X-3最大的貢獻是它提供的關於“慣性力偶”的數據。這個現象會使飛機失去控制，而且它已經影響到了X-1和X-2的研究計畫。
研究人員一共預訂了兩架X-3，但是最終只造了一架，即49-2892號。它一共飛了51次。
1956年，49-2892號被送到美國空軍國家博物館，但是在2006年它在“研究與發展陳列館”展出。
乘員： 1
長度： 66英尺9英寸（20.3米）
翼展： 22英尺8英寸（6.9米）
高度： 12英尺6英寸（3.8米）
翼面積： 166.5英尺²（15.47米²）
空重： 16,120磅（7,310千克）
最大起飛重量： 23,840磅（10,810千克）
發動機： 2×Westinghouse J34 afterburning turbojet， 每個 3,370磅,加力燃燒時4,850磅（15.0千牛,加力燃燒時21.6千牛）
最高速度： 700英里/時 （1125千米/時）
實用升限： 38,000英尺（11,600米）
推重比： 0.40
類型 試驗機 生產公司 道格拉斯公司 首次飛行 1952年10月15日 退役 1952年5月23日 主要用戶 美國空軍 NACA 生產數量 1