Został wystrzelony z Cape Canaveral Air Force Station na Florydzie w marcu 2011 roku. W kosmos wyniosła go rakieta Atlas V. X-37B włączył silnik aby zejść z orbity, przebił się przez atmosferę szybując i wylądował na pasie startowym jak samolot.
—Wraz z odesłaniem na emeryturę floty wahadłowców, program bezzałogowych pojazdów X-37B potwierdza zdolność do rozwoju technologii kosmicznej — powiedział ppłk. Tom McIntyre, dyrektor programu X-37B. — Możliwość powrotu pozwala siłom lotniczym testować nowe technologie bez ryzyka dla innych programów. Jesteśmy dumni z całego zespołu, który przyczynił się do sukcesu tej misji.
Była to już druga misja zdalnie sterowanego szpiega kosmicznego. W 2010 roku identyczny statek kosmiczny wrócił na Ziemię po siedmiu miesiącach spędzonych na orbicie.
Choć przedstawiciele lotnictwa podkreślali od początku misji, że jej celem jest jedynie testowanie samolotu kosmicznego, aparatura, jaką zabrał na pokład i wyniósł na orbitę została objęta ścisłą tajemnicą. To dało pożywkę dla wielu spekulacji na temat misji i jej prawdziwego celu. Astrofizyk z Harvardu Jonathan McDowell, który śledzi wszystkie satelity jakie zostały wystrzelone w kosmos, uważa, że możliwe jest, że wojskowi testowali jakąś nową formę obrazowania.
