9. novembra 1962 bol vážne poškodený druhý prototyp sériového čísla 56-6671. Po privezení vraku na Edwards padlo rozhodnutie opraviť ho a vylepšiť do podoby stroja „Super X-15“ s plánovanou prevádzkovou rýchlosťou Mach 3 až 8. 13. mája 1963 podpísala NASA oficiálny kontrakt v hodnote 5 miliónov dolárov na prestavbu poškodeného stroja do podoby „Advanced X-15“, chytro preznačeného na X-15A-2. Modernizovaná verzia dostala výkonnejší motor a prídavné odhadzovateľné nádrže, ktoré umožňovali predĺžiť dobu chodu motora z 85 na 145 sekúnd. Palivo z nich bolo vyčerpané prednostne a potom sa pri rýchlosti Mach = 2 oddelili, a zniesli na zem na padákoch. Upravená bola aj predná časť,  trup bol pokrytý materiálom T-500 spoločnosti Emerson Electric, absorbujúcim teplo. Tri stroje, resp. modifikovaná verzia X-15A-2, absolvovali do skončenia programu v novembri 1968 spolu 199 letov. Pri nich dosiahli maximálnu rýchlosť 7295 km/h a výšku 107 960 metrov. Lietadlo bolo dlhé 15,98 metrov s rozpätím 6,7 metra pri maximálnej vzletovej hmotnosti 25 461 kg.

Na začiatku októbra 1965 navrhla NASA upraviť tretí stroj X-15 inštaláciou deltakrídla s elevónmi so šípovitosťou 76 stupňov. Ten mal overiť použitie nových prvkov pre budúce hypersonické vesmírne prostriedky. Zároveň mali byť vyskúšané nové materiály s väčšou odolnosťou proti tepelnému ohrevu. Trup bol oproti pôvodnej verzii predĺžený o 3,81 metra kvôli potrebe zväčšiť zásobu paliva. Vďaka väčšej rýchlosti bol za nosný stroj zvolený XB-70 Valkyrie. Príslušné orgány však neprejavili o tento projekt veľký záujem, keďže prioritou NASA sa v tom čase stal program Apollo. Nakoniec bolo lietadlo X-15 č.3 zničené pri havárii 15. novembra 1967.