Northropov návrh do súťaže ATF vychádzal zo štúdií stíhacích lietadiel z konca 70. rokov a zdieľal niektoré konštrukčné prvky s typom ND-102. Ešte pred jej oficiálnym vyhlásením bolo rozhodnuté spojiť úsilie s firmou McDonnell Douglas, podobne ako pri lietadle F/A-18 Hornet a využiť tak skúsenosti so stavbou veľkého komplexného lietadla F-15. Každý mal síce vstúpiť do súťaže s vlastným návrhom, avšak po prípadnom úspechu mali obidve spoločnosti spolupracovať, pričom vedúcu pozíciu by prebrala tá, ktorej návrh zvíťazí. Takto vyzerali štúdie Northropu, patentované v polovici 80. rokov.

31. októbra 1986 bol Northrop vyhlásený za jedného z dvoch víťazov súťaže ATF a bol mu udelený kontrakt v hodnote 691 miliónov dolárov na stavbu a letové testy dvoch prototypov, ktorým USAF pridelilo oficiálne označenie YF-23A. V roku 1987 bola z pôvodného návrhu odstránená požiadavka na inštaláciu obracačov ťahu motorov, čím sa povolená dĺžka dráhy pre vzlet a pristátie zväčšila z 2000 na 3000 stôp. Z tohto dôvodu sa Northrop rozhodol použiť pevné výstupné trysky odtienené chvostovými plochami, podobne ako pri lietadle Tacit Blue. Výsledný stroj bol väčší než sa očakávalo, keďže potreboval veľký vnútorný priestor pre palivo, aby splnil požiadavky na dolet. Lietadlo nemá žiadnu aerodynamickú brzdu. Túto úlohu mali pôvodne vykonávať spomínané obracače ťahu motorov.

YF-23A mal v porovnaní s YF-22A priaznivejšie charakteristiky stealth. Už pri prvom pohľade sa dajú nájsť spoločné prvky z bombardérom B-2. Trup je oslobodený od akýchkoľvek zbytočných výstupkov, kosoštvorcové krídlo so šípovitosťou 40 stupňov na nábežnej aj odtokovej hrane a „zúbkovanie“ zadnej časti trysiek a chvostových plôch výborne rozptyľujú radarové vlny, ich pohlcovaniu napomáha taktiež špeciálne vyvinutý náter. Aj napriek umiestneniu nasávacích otvorov na spodnú časť trupu, lopatky motorového kompresora sú pred radarom chránené zložitým esovitým ohybom, ktorý spolu s akýmsi „hrbom“ vo vrchnej časti trupu slúži ako doplnková palivová nádrž. Výzbroj je ukrytá v trupovej bombovnici. Nízkej radarovej zistiteľnosti napomáhajú aj malé brity pozdĺž prednej časti trupu, ktoré zároveň priaznivo ovplyvňujú prúdenie vzduchu okolo lietadla a napomáhajú vytváraniu vztlaku na krídle pri vysokých uhloch nábehu. Výstupné spaliny od motorov sú odtienené nekonvenčnými hybridnými plávajúcimi chvostovými plochami, naklonenými smerom von v uhle 50 stupňov, a zároveň sa ochladzujú v predĺženej výstupnej tryske. Otvore pre tankovanie vo vzduchu je umiestnený za kokpitom a je napojený na integrálnu nádrž v trupovej nadstavbe. Núdzové opustenie kokpitu zabezpečovalo vystreľovacie sedadlo ACES II. Použitá elektronika, schopná pracovať aj v pasívnom režime produkuje minimum elektromagnetických emisií.

Dva postavené stroje YF-23 boli viac zhmotnenou štúdiou než plnohodnotným prototypom, na ktorý by mohli nadväzovať sériové stroje. Kvôli finančným úsporám dostali hlavný podvozok zo stroja F-18, predný podvozok a kokpit z lietadla F-15, pričom sa nepočítalo s inštaláciou veľkorozmerných multifunkčných displejov. Zadná časť stroja nebola po zrušení požiadavky na obracače ťahu príslušne prepracovaná. Prototypy taktiež nemali žiaden radar, o pokročilej elektronike, testovanej na stroji BAC-111, už ani nehovoriac. Pri letových testoch sa nemali prakticky skúšať vysoké uhly nábehu ani odpaľovanie rakiet aj napriek tomu, že obidva prototypy mohli provizórne niesť rakety AIM-9 na vnútornej strane dvierok zbraňovej šachty. Na druhej strane je potrebné poznamenať, že testy v NASA Langley na veľmi podobne koncipovanom lietadle SHARC preukázali schopnosť takmer neobmedzeného uhla nábehu pri otáčaní po osi Z v prípade, ak sú dvierka zbraňových šácht uzatvorené.

Prvý stroj PAV-1 s motormi Pratt and Whitney F119 (PW5000) a registráciou 87-0800 vzlietol 27. augusta 1990 riadený Paulom Metzom. Let trval dvadsať minút a jedinou jeho závadou bolo pomalé vysunutie ľavého podvozku. Počas nasledujúcich štyroch septembrových letov sa preverovalo tankovanie vo vzduchu a nadzvuková rýchlosť. Druhý stroj PAV-2 87-0801, vzlietol s motormi General Electric F120 (GE37) 27. októbra. Pri piatom lete sa podarilo prvýkrát dosiahnuť režim supercruise. Tím Northropu vybral pre lietadlo meno „Black Widow 2“ a následne bol na trup v súlade s menom namaľovaný znak v tvare pavúka Čierna vdova. Počas letových testov používal prvý prototyp volací znak „Gray Ghost“ a druhý „Spider“. Prototypy dosiahli maximálnu rýchlosť Mach 1,7, preťaženie 7G a maximálny uhol nábehu 25 stupňov. Prvý prototyp s motormi F119 vytiahol hodnotu supercruise na Mach 1,43. Hoci u druhého je tento údaj utajovaný, vzhľadom na výkon pohonných jednotiek F120 sa dá odhadnúť na Mach 1,8. Po trojmesačnom hodnotení výsledkov a skúšok vtedajší námestník ministra obrany pre USAF Donald Rice 23. apríla 1991 oznámil, že súťaž ATF vyhral Lockheed so svojim strojom YF-22A a Pratt and Whitney s motormi F-119. Obidva prototypy Northrop/MDD YF-23A boli zakonzervované a uložené na Edwards AFB. Neskôr bol prvý stroj vystavený v USAF Test Center Museum a druhý vo Western Museum of Flight. Prototyp PAV-2 sa však opäť dostal k spoločnosti Northrop/Grumman, kde má oficiálne prejsť reštauračným procesom. V skutočnosti bude v prípade záujmu použitý na demonštráciu technológií pre stredný bombardér F/B-23 RTA (Rapid Theater Attack).

Hlavnou odlišnosťou sériových strojov F-23A v porovnaní s prototypmi boli prepracované vzduchové kanály od nasávania až po koncové trysky. Vstupy vzduchu k motorom, ktoré mali mať namiesto pórovitého materiálu na odstránenie turbulentného vzduchu klasické rozdeľovače, boli umiestnené bližšie pri sebe. Motorové výstupky v hornej časti trupu sa podstatne zmenšili a boli vybavené sériovými tryskami. Rovnako sa zmenšil aj hrb za kokpitom, takže lietadlo už vyzeralo omnoho integrálnejšie. Hneď za predným podvozkom sa nachádzala menšia bombovnica pre dve rakety AIM-9 alebo ASRAAM. Kvôli tomu bola predná časť trupu predĺžená. Za ňou sa nachádzala hlavná bombovnica so štyroma raketami AIM-120 AMRAAM a výzbroj ešte dopĺňal jeden postranný 20 mm kanón M61 Vulcan. Zaujímavý bol tzv. psí zub na vnútorných krídelkách, ktorý mal vytvárať dodatočné vzdušné víry.

V roku 1993 vznikol návrh prestavať jeden z prototypov na experimentálne laboratórium, využívajúce trysky, vektorovateľné v horizontálnej rovine.