研究性飞行试验一般不以某一具体型号为研究对象，而侧重于基础理论和应用技术的探索、验证，有时也针对新一代型号要求进行特定的专门技术研究。研究性飞行试验通常用专门研制的试验机（如美国X系列试验机）或用现役飞机改装的专用飞机（如变稳飞机等）进行。

现代航空发展历史上，不少重大的航空理论和技术都是通过研究性飞行试验突破的。1945年，美国国家航空咨询委员会（NACA）与贝尔飞机公司联合开展飞机在亚声速和超声速飞行条件下的特性研究，利用X-1试验机在43000英尺（1英尺=0.3048米）高空飞出了1.06马赫的速度，迈出了人类超声速飞行的第一步。1951年，贝尔飞机公司使用X-5试验机进行变后掠翼技术研究，凭借X-5丰厚的飞行试验技术积累,美国先后研制出了F-111战斗轰炸机、F-14战斗机以及B-1轰炸机。20世纪50年代末，NASA牵头，联合美国空军、海军和北美航空公司利用X-15开展高超声速研究，先后创造了6.72马赫的速度和108000米升限的世界纪录，X-15的飞行试验几乎涉及了高超声速研究的所有领域，为美国阿波罗有人太空飞行计划和航天飞机等的发展提供了极其珍贵的试验数据。1977年，美国国防高级研究计划局（defense advanced research projects agency; DARPA）和美国空军飞行动力学实验室联合开展了前掠翼技术研究，通过X-29A的飞行试验，验证了前掠翼优越的跨声速特性和极佳的大迎角飞行能力。1980年初，美国空军飞行动力学实验室开启了一项先进战斗机技术集成计划，利用改装的F-16战斗机，进行非常规飞行控制、近距支援、自动地面防撞等技术研究，获得了美国空军科学与工程最杰出成就奖。1986年，英国、德国和意大利联合开展了欧洲先进战斗机试验机项目，验证全权限数字电传飞控、静不稳定鸭式三角翼布局、电子化座舱设计、发动机数字控制等技术，为“台风”战斗机的研制立下汗马功劳。1990年波音公司与欧洲航空防务与航天公司联合开展增强战斗机机动性研究，通过X-31的飞行试验验证矢量推力技术与飞控系统的匹配性，为突破“失速障”积累了大量试验数据。20世纪末，DARPA、美国空军、波音公司、美国海军提出了无人作战飞机概念，利用X-45、X-46、X-47等开展飞行试验研究，验证无人作战飞机的技术可行性。2002年，波音公司通过X-48开展了“翼身融合体”技术研究， 该技术将使飞行器具有更好的结构强度、更远的航程和更便宜的飞行成本，在军事和民用领域的应用潜力十分巨大。

20世纪60年代以来,中国也开展了许多重要的研究性试飞：①多型飞机的失速/尾旋试飞、歼-10B矢量推力和过失速机动试飞；②两代变稳飞机及歼-8主动控制验证机对飞行品质和飞控技术验证试飞；③发动机数控技术验证和组合式冲压发动机技术验证试飞；④风洞与飞行试验相关性试飞、放宽静稳定性电传操纵模型自由飞等；⑤多型新型雷达和新隐身技术的验证试飞等等。这些研究性试飞对于推进中国航空技术发展起到了不可磨灭的贡献。

研究性飞行试验引领了航空科技的发展，促进了新技术和新产品的成熟，催生了一代代先进机型的诞生。研究性飞行试验除了在航空领域具有不可估量的作用外，在航天、气象研究、地球物理研究、生态环境、农业测量、航空医学等领域也发挥着重要作用。