Am 20. Mai 2015 hob um 17:05 Uhr MESZ eine Trägerrakete des Typs Atlas-5 vom Weltraumbahnhof Cape Canaveral in Florida ab. An Bord befand sich die unbemannte Miniraumfähre X-37B, die kurz darauf in eine niedrige Erdumlaufbahn eintrat. Der Hauptzweck der Mission ist streng geheim, allerdings gab es im Gegensatz zu den ersten drei Flügen in den Jahren 2010 bis 2014 gewisse Teilinformationen zu diesem Flug. An Bord der Raumfähre befindet sich ein Experiment der NASA, das Materialproben den Bedingungen im erdnahen Raum aussetzt. In ihren Veröffentlichungen zu diesem Versuch spricht die NASA von einer minimalen Missionsdauer von mehr als 200 Tagen. Bislang wurde nie darüber berichtet, wie lange die X-37B auf der Erdumlaufbahn bleiben soll. Bei ihrem ersten Einsatz war die Miniraumfähre 224 Tage im All, beim zweiten 469 Tage und beim bisher letzten Flug sogar 675 Tage. Auch die US Air Force, welche das X-37B-Programm betreibt, berichtete über ein Experiment an Bord der X-37B. Dabei soll ein Ionentriebwerk getestet werden, das an Bord von Kommunikationssatelliten der USAF zum Einsatz kommen soll.

Die Miniraumfähre gelangt nur als Nutzlast an Bord einer großen Trägerrakete ins All, sie kann nicht aus eigener Kraft in den Erdorbit fliegen. Die X-37B ist 8,9 Meter lang, weist eine Flügelspannweite von 4,5 Metern auf und vermag in ihrer 2,1 Meter langen und 1,2 Meter breiten Ladebucht 250 Kilogramm Nutzlast ins All zu befördern. Den nach wie vor sehr vagen Auskünften der US-Militärs zufolge soll die X-37B als "ein erdumkreisendes Labor neue Technologien und Geräte testen, bevor diese bei operationellen Satelliten-Programmen zum Einsatz kommen". Spekuliert wird darüber, ob die X-37B neuartige Methoden zur Spionage von der Erdumlaufbahn erprobt oder sogar schon taktisch eingesetzt wird. Die Miniraumfähre verfügt zudem über eine erhebliche Manövrierfähigkeit und kann ihre Umlaufbahn durch Zündung ihrer Bordtriebwerke immer wieder verändern, was bei der zweiten und dritten Mission ausgiebig genutzt wurde.

Die US-Luftwaffe übertrug den Start live, aber fünf Minuten nach dem Abheben der Trägerrakete wurde die Übertragung aus Gründen der Geheimhaltung abgebrochen. Zu erfahren war noch, dass die zweite Stufe der Atlas-5 erfolgreich gezündet hatte. Die Abtrennung der Raumfähre fand rund 19 Minuten nach dem Abheben statt. Danach veränderte die Oberstufe noch die Neigung und Höhe ihrer Umlaufbahn, um sekundäre Nutzlasten auszusetzen, nämlich zehn so genannte CubeSats. Das sind Miniatursatelliten, deren Grundstruktur ein Würfel mit einer Kantenlänge von zehn Zentimetern bildet. Sie sind sehr leicht und lassen sich kostengünstig herstellen und in den Weltraum befördern. Sie wurden von einer Struktur namens ULTRASat transportiert, die vom US National Reconnaissance Office entwickelt wurde. Dieses setzte die Satelliten nach Erreichen der Umlaufbahn mittels Federkraft aus.

Die CubeSat-Einheiten können auch aneinandergekoppelt werden, um größere und leistungsfähigere Nutzlasten zu transportieren. Zum Beispiel schickte die Planetary Society, eine Organisation von rund 100 000 Weltraumenthusiasten weltweit, ihren Satelliten LightSail ins All. Dieser ist mit einer Länge von 30 Zentimetern und einer Kantenlänge von 10 Zentimetern kleiner als ein Schuhkarton. LightSail dient zur Demonstration der Technik des Lichtsegelns. Dafür entfaltet der Satellit eine quadratische, mit Metall bedampfte Folie mit einer Fläche von 32 Quadratmetern. Die Folie selbst ist nur 4,5 Mikrometer dick, etwa ein Zehntel der Dicke eines menschlichen Haares. Der jetzt begonnene Flugversuch dient nur dazu, das Entfalten des Segels im Weltraum zu erproben. Das Lichtsegel soll bei späteren Missionen den Strahlungsdruck der Sonne nutzen, um die Bahn eines Forschungssatelliten zu verändern. Damit ließen sich zum Beispiel auch Planeten wie Mars oder Venus ohne große Schubmanöver mit schweren konventionellen Antrieben erreichen.