Film opowiada prawdziwą historię testów specjalnego samolotu rakietowego jakich podjęła się NASA w latach 50. Tytułowy X-15 to statek powietrzny, który umożliwia loty poza atmosferą ziemską. Sterowania tą maszyną podejmują się dwaj dzielni piloci, Matt Powell (David McLean) oraz Lee Brandon (Charles Bronson).