El 18 de septiembre de 2000 se produjo el primer vuelo del X-32A, desde la planta de Boeing en Palmdale hasta la Base Aérea Edwards. El avión, pilotado por el piloto de pruebas de Boeing, Fred Knox, recorrió 670 m de pista antes de despegar a 150 nudos alrededor de las 8:00 a. m.

Poco después del despegue, se detectó una pequeña fuga hidráulica y el vuelo se acortó de los 30 a 40 minutos previstos a 20 minutos. Durante el vuelo, el avión alcanzó los 3000 m, una velocidad de 370 km/h y un ángulo de ataque de 13°. A pesar de la reducción del vuelo, se completó aproximadamente el 80 % de los puntos de prueba planificados. Estaba propulsado por un derivado convencional del turbofán con postcombustión del F-22, designado F119-PW-614C.

El 29 de marzo de 2001, la versión STOVL del X-32B realizó su primer vuelo. El vuelo duró 50 minutos, desde Palmdale hasta la Base de la Fuerza Aérea Edwards. Una versión modificada del motor -614C, conocida como F119-PW-614S, propulsaba la aeronave STOVL.

El 26 de octubre de 2001, el Departamento de Defensa anunció que el Lockheed Martin X-35 había ganado el concurso JSF. El X-35 se convertiría en el Lockheed Martin F-35 Lightning II, que se fabricaría en serie.

La pérdida del contrato JSF a manos de Lockheed Martin en 2001 supuso un duro golpe para Boeing, ya que representaba el proyecto internacional de aviones de combate más importante desde el concurso del programa Lightweight Fighter de las décadas de 1960 y 1970. En aquel momento, la producción del JSF se estimaba entre 3.000 y 5.000 unidades.

En 1993, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) lanzó el proyecto CALF (Common Affordable Lightweight Fighter). El objetivo del proyecto era desarrollar un diseño furtivo que reemplazara todos los cazas y aviones de ataque más ligeros en servicio en Estados Unidos. Casi al mismo tiempo, se inició el proyecto JAST (Joint Advanced Strike Technology) En 1994, el Congreso de los Estados Unidos ordenó su fusión en un solo programa bajo el nombre de JAST, que pasó a denominarse Joint Strike Fighter (JSF) en 1995.

Muchas empresas participaron en la primera fase de este proyecto, que consistió en la elaboración de diseños conceptuales de aeronaves para su presentación al Departamento de Defensa. El 16 de noviembre de 1996, Boeing y Lockheed Martin obtuvieron contratos para la producción de dos aviones de demostración conceptual (CDA) cada uno.

Una importante diferencia con respecto a proyectos anteriores fue la prohibición de que las compañías utilizaran fondos propios para financiar el desarrollo. Cada una recibió 750 millones de dólares para producir sus dos aviones, incluyendo aviónica, software y hardware. Esta limitación promovió la adopción de técnicas de fabricación y ensamblaje de bajo coste, y también evitó que Boeing y Lockheed Martin se declararan en quiebra en un intento por ganar un concurso tan importante.