Odpowiedzialność za końcowy montaż samolotu wziął na siebie Rockwell, on również odpowiadał za budowę kadłuba, usterzenie pionowe i układ sterowania fly-by-wire. MBB zaprojektował i zbudował skrzydło samolotu, płytowy mechanizm wektorowania ciągu oraz opracował ogólną koncepcję sterowania samolotem. Zbudowano dwa prototypy, BuNo 164584 i BuNo 164585. Pierwsze próby kołowania, rozbiegu i hamowania wykonano 3 października 1990 roku na lotnisku w Palmdale w Kalifornii. Osiem dni później, 11 października X-31 wzniósł się po raz pierwszy w powietrze, za sterami samolotu siedział szef zespołu oblatywaczy Rockwell International – Ken Dyson. Obydwa prototypy wykonały ponad pół tysiąca lotów. Pierwszy z nich rozbił się 19 stycznia 1995 roku w bazie Edwards. Wśród badań, jakim poddano samoloty w locie, były między innymi symulowane walki powietrzne z samolotem niemającym możliwości wektorowania ciągu silnika. Z 94 walk, które stoczył X-31 z McDonnell Douglas F/A-18 Hornet, 74 wygrał ten pierwszy, kilka pojedynków zostało nierozstrzygniętych. Dało to stosunek zestrzeleń 9,4:1 na korzyść X-31. W momencie, kiedy X-31 nie korzystał z wektorowania ciągu, F-18 miał przewagę w stosunku 2,4:1.