Перед двигателем находится цилиндрический бак окислителя. Далее, в середине фюзеляжа, расположен негерметичный грузовой отсек, закрытый двустворчатым люком. В отсеке может устанавливаться спецоборудование массой от 300 до 500 кг или, например, два небольших спутника. В носовой части размещаются вторая группа двигателей и блок управления с перспективной системой наведения. Для посадки на аэродром "Х-37В" оснащен трехопорным убирающимся шасси с носовым колесом.
Система электроснабжения состоит из складной панели солнечной батареи и литий-ионных буферных аккумуляторов. Она считается более подходящей для длительного космического полета, нежели кислородно-водородные топливные элементы шаттла.
Секретность, окружающая проект, привела к спекуляциям на тему боевого назначения аппарата. Пентагон категорически опроверг любые версии на этот счет, но, как часто бывает, чем громче звучат опровержения, тем больше сомнений в их искренности. В некоторых средствах массовой информации появились материалы о том, что США создают новую систему космических вооружений, способную наносить внезапные удары по наземным целям или уничтожать спутники противника. Более сдержанные в своих фантазиях эксперты отмечают, что "Х-37В" кроме проведения экспериментов в космосе может использоваться для ремонта и возвращения на Землю поврежденных спутников.
Первый запуск мини-шаттла "Х-37В" состоялся 22 апреля 2010 года со стартовой площадки SLC-41 космодрома Канаверал — точно по заранее определенному графику. Через 19 минут после запуска было объявлено, что выведение прошло штатно. Полет продолжался 225 суток — абсолютный рекорд для крылатых воздушно-космических аппаратов многоразового использования. Сообщество независимых наблюдателей отследило как минимум пять маневров "Х-37В": в первый раз с подъемом орбиты, в остальных случаях со снижением.
При посадке, проведенной 3 декабря 2010 года, у мини-шаттла лопнуло колесо левой основной стойки шасси, но это не помешало нормальному завершению пробега, поскольку камер в колесе было несколько. После остановки к аппарату приблизился наземный персонал в костюмах химзащиты. Осмотр выявил ряд моментов, неприятных для конструкторов. Во-первых, теплозащита имела явные "проплешины" (обесцвеченные пятна), что свидетельствует об окислении покрытия. Во-вторых, на ее поверхности обнаружились семь повреждений, причиненных, по официальной версии, космическим мусором.
Второй аппарат "Х-37В" отправился в космос 5 марта 2011 года и пробыл на орбите 468 суток (до 16 июня 2012 года), побив предыдущий рекорд. Еще перед стартом разработчики пояснили, что новый запуск поможет научным специалистам ВВС лучше "оценить и понять летные характеристики "Х-37В"". Однако независимые эксперты считают, что на самом деле программа второго полета была нацелена на куда более широкий спектр задач. В частности, выдвигалась версия, будто бы на борту мини-шаттла находилось оборудование для орбитального шпионажа, изготовленное сотрудниками Национального управления военно-космической разведки США (National Reconnaissance Office, NRO).
Независимые наблюдатели спутников внимательно следили за аппаратом с момента его обнаружения. Первоначально комплекс находился на орбите высотой около 331 км, которая летом 2011 года была поднята до 337 км. В мае 2012 года "Х-37В" сманеврировал, ненадолго исчезнув из поля зрения наблюдателей, которые вскоре обнаружили его на орбите высотой 293 км.
В течение всего необычного путешествия версии о целях миссии множились. Эксперты обсуждали разные варианты, включая самые фантастические. Минишаттл называли "космическим бомбардировщиком", "истребителем спутников" и "многоразовым спутником-разведчиком". Поскольку в то время была запущена китайская орбитальная лаборатория "Тяньгун-1", тут же было высказано предположение, что "Х-37В" следит именно за ней.
Американские военные с иронией наблюдали за дебатами экспертов. "Я ценю изобретательность и творчество отдельных людей, — заявил Ричард Маккинни, первый заместитель замминистра ВВС по космическим программам, — но JC-37B" — это стенд для испытаний. С его помощью мы собираемся выполнить на орбите эксперименты: проверить его, провести исследования и вернуть обратно. Вот в чем наша цель!"
Третий запуск в рамках программы "Х-37В" состоялся 11 декабря 2012 года. По сей день аппарат находится на орбите, поэтому предыдущий рекорд вновь побит (25 марта 2014 года прошло 470 суток со дня запуска).