Самолет имел цельнометаллическую конструкцию, лишь рули направления и высоты были обтянуты тканью. Прототип получил бортовой номер NX 19998.
Первую рулежку по аэродрому прототип совершил 15 октября. Поднял же самолет в воздух 26 октября 1940 года известный летчик-испытатель Вэнс Брис — «вольный стрелок», не связывающий себя сколько-нибудь долговременными контрактами ни с одной из фирм. Самолет взлетел с аэродрома Майнсфилд в Инглвуде. Первый полет продолжался пять, а второй — десять минут. Брис еще шесть раз летал на прототипе 31 октября, 4, 8, 11 и 13 ноября, всего проведя в воздухе три часа двадцать минут.
Дальнейшие испытания проводил летчик-испытатель Пол Балфор. 20 ноября NA-73X во время испытаний на максимальную скорость заглох двигатель. Машина получила сильные повреждения. Однако в целом результаты были удовлетворительные, а англичане заказали 300 таких истребителей еще до первого полета. 24 сентября 1940 года самолету присвоили заводское обозначение NA-83. Разбитый прототип решили было не восстанавливать и собрать второй прототип, чтобы продолжить испытания.
9 декабря 1940 года английская закупочная комиссия (British Purchasing Commision — ВРС) дала самолету название «Mustang I». Результаты испытаний подтвердили расчетные характеристики самолета. Самолет был очень легок в управлении, особенно на высотах 3000…4600 метров. При этом «Мустанг» развивал максимальную скорость на 40 км/ч больше, чем Р-40.
Тем временем к истребителю начали проявлять интерес в USAAF. 20 сентября 1940 года американцы заказали два самолета ХР-51 «Apache», которые передали для испытаний на базу Райт-Паттерсон в штате Огайо. Это были самолеты с номерами 73-3101 (41–38) и 73-3107 (41–39).
Прототип NA-73X (NX 19998) все же удалось восстановить, и 13 января 1941 года Вэнс Брис продолжил полеты на этой машине. В феврале дальнейшие испытания проводил главный летчик-испытатель фирмы North American Луи Уэйт, целью испытаний была проверка прочности шасси. Кроме того, с 16 марта 1941 года семь раз на самолете поднимался в воздух армейский летчик, капитан М.Дж. Ли.
Испытания потихоньку перешли в ведение USAAF. С 4 апреля на самолете летал инженер Роберт К. Чилтон. Чилтон должен был удостовериться в том, что конструкция самолета отвечает предъявляемым техническим требованиям контракта. Последние пробные полеты провели 15 июля 1941 года. Всего прототип 45 раз поднимался в воздух, налетав в общей сложности 40 часов.