X-37B由波音公司旗下“幻影工廠”制造，重大約5噸，長8.8米，高2.9米，翼展為4.6米，尾部有兩扇豎尾翼，外形酷似跑車，大小是航天飛機的1/4。 起飛重量超過5噸。
X-37B的長度大約為29英尺，約為8.8米，寬9.5英尺，即2.9米，翼展大約15英尺，即4.6米，長度接近壹輛加長型的勞斯萊斯幻影加長版，因此X-37B的體積比壹般的軌道衛星要大，但又小於航天飛機，由於其發射方式也使用了火箭，因此X-37B應該被列為迷妳航天飛機，而不是空天飛機，畢竟X-37B無法實現水平起飛。 X-37B的內置貨艙能夠轉載貨物、機械臂，那麽X-37B在軌驗證航天器的導航控制技術、熱防護材料、發動機技術、空間對接以及載人能力等就是“隱性”任務，美軍可以根據X-37B不同階段來制定各種分級任務。
X-37B的體積雖小，但功能齊全，有壹個與航天飛機相似的背部載荷艙，尺寸與皮卡車的後貨箱相當，這是X-37B的壹個顯著的亮點，載荷能力為大約在2噸左右，內置貨艙可以搭載小型機械臂，抵達軌道後可展開軌道作業，如抓取敵方在軌衛星、破壞航天器、釋放小型載荷等等。為了滿足X-37B的在軌能源需求，其還攜帶了太陽能電池板，可提供不間斷的電力供應。 盡管X-37B屬於低軌道航天器，其直接的太空作戰能力有限，但軍事專家認為，X-37B可搭載導彈、激光發射器等先進武器實施遠程精確打擊，其作戰潛力不可低估。
X-37B升空後可迅速到達全球任何目標的“上空”，利用自身攜帶的武器對敵國衛星和其他航天器采取控制、捕獵和摧毀等攻擊，甚至向敵國地面目標發起攻擊。由此可見，X-37B完全有可能成為“軌道轟炸機”。 截止2014年，美軍的航天偵察能力主要由國家偵察局負責，但存在作戰響應慢、費用昂貴等不足，因此美國國防部決定發展空天飛機以彌補美軍航天偵察能力的不足。
X-37B能夠搭載多種偵察設備，在高空對海陸空目標及外太空目標進行偵察，並將偵察信息實時傳遞給作戰單位。如果這種無人空天飛機可靠的話，可以促使美軍快速大量部署低軌道偵察衛星。