Le XB-70A-2 effectua son Roll-Out le 29 mai 1965. Extérieurement, il se distinguait du -1 par une aile ayant un dièdre positif de 5 degrés afin de lui procurer une meilleure stabilité lors des vols supersoniques. Le système de contrôle de l'entrée d'air était automatique et le réservoir num. 5 était fonctionnel. Le système hydraulique fut entièrement revu. Hormis les marquages (numéro de série), on peut facilement l'identifier à son radôme inférieur peint en noir.

Du fait de l'expérience déjà acquise avec le premier prototype, les vols du second furent plus rapides et dès le premier vol (le 17 juillet 1965)  le XB-70A-2 atteignit Mach 1,41 et 42 000 pieds avec les saumons d'ailes abaissés de  65 degrés, mais cette fois pas de prime pour NA .Le programme d'essais du XB-70A-2 permit à Cotton, Shepard et Fulton de prendre les commandes du Valkyrie en place de pilote pour la première fois. C'est ainsi que Cotton pilota le XB-70A-2 lors de son deuxième vol le 10 août 1965 au cours duquel il atteignit Mach 1,45 et 41 000 pieds. Bien que plus performant et un peu plus fiable que le premier, le second Valkyrie avait toujours des problèmes d'hydraulique et du système de freinage. En effet, le 30 avril 1966 le train d'atterrissage refusa de descendre pendant près d'une heure. Finalement le XB-70A-2 atterrit une nouvelle fois sur le Roger Dry Lake éclatant au passage 6 des 8 pneus du train principal.

Néanmoins l'avion se comportait bien et au cours du 5ème vol le système de contrôle automatique de l'entrée d'air fut activé. L'appareil atteignit Mach 1,85. Mach 2 fut franchit le 29 septembre et Mach 3 le 3 janvier 1966. Entre-temps, le 21 décembre, alors qu'il volait à Mach 2,9 le système de lubrification du réacteur numéro 4 tomba en panne. Pendant la descente vers Edwards, le moteur 6 fut également coupé. Le 12 janvier, le XB-70A-2 atteignit sa vitesse la plus importante avec 3250 km/h et le 19 mars il atteignit sa plus haute altitude : 22 550 mètres.

Un vol d'essai typique du Valkyrie se déroulait comme suit : après le décollage, le train d'atterrissage était immédiatement rentré et l'appareil accélérait rapidement par palier. Entre 740 et 1100 km/h les saumons d'ailes était abaisses en position 25 degrés afin de procurer une meilleure stabilité dans la zone transsonique. A Mach 0,95 le pare-brise se relevait pour réduire la traînée. La visibilité vers l'avant était alors quasiment nulle et l'avion se pilotait aux instruments. Puis vers Mach 1,5 et 32 000 pieds les saumons étaient complètement abaisses afin de procurer plus de portance. L'avion continuait alors son ascension jusqu'à 50 000 pieds. A Mach 2 se produisait un phénomène indispensable a la poursuite du vol : l'amorçage des entrées d'air par la formation des ondes de choc dans la prise d'air. Parfois, il arrivait qu'une des entrées d'air de désamorce. Ce phénomène arrivait plus fréquemment sur le XB-70A-1 qui n'était pas pourvu du système automatique de contrôle. Lors d'un désamorçage, l'avion se cabrait brusquement et s'inclinait rapidement du côté de l'entrée d'air désamorcée, la poussée chutant alors  brutalement. Le SR-71 eu aussi a faire à ce genre de phénomène. En l'absence de désamorçage, le vol pouvait se poursuivre jusqu'à Mach 3 et 70 000 pieds.

Lorsque la décision d'abandonner le programme XB-70, un troisième prototype était en construction et ne fut jamais terminé. Ce troisième prototype aurait été beaucoup plus proche de la version de série s'il avait vu le jour. Son équipage se composait de 4 membres : 2 pilotes et 2 opérateurs systèmes. Le système de navigation et de bombardement aurait été installe et la soute agrandie. Plusieurs expérimentations furent envisagées pour l'utilisation de ce troisième XB-70 : observatoire astronomique volant, radar aéroporté, lanceur ou destructeur de satellite, banc d'essais volant pour le ravitaillement a vitesse supersonique, premier étage d'un lanceur réutilisable, etc .

A partir de novembre 1965 et jusqu'en juin 1966, le programme d'essais en vol vit les deux Valkyrie participer de concert aux essais. C'est ainsi que le 3 janvier 1966 et le 24 mars, les deux Valkyrie volèrent dans la même journée. Cependant, il ne semble pas que les deux XB-70 volèrent l'un à coté de l'autre. Le 11 janvier XB-70A-1 prit même l'air deux fois dans la même journée. Une nouvelle fois, le système hydraulique de servitude tomba en panne au cours d'un vol a Mach 2 le 7 mars 1966 et lors de l'atterrissage d'urgence sur le Roger Dry Lake le boggie gauche se "bascula". Cet incident, sans gravité (l'appareil fut réparé deux semaines plus tard), aurait pu être fatale a l'appareil si jamais le train s'était affaissé. Un autre incident qui aurait aussi pu détruire l'appareil eu lieu peu après le décollage du 27eme vol le 30 avril 1966 : le train avant refusa de se rétracter complètement et la roulette resta à moitié sortit. White tenta par deux fois un atterrissage en espérant que le choc avec le sol du train principal ferait se débloquer le train avant mais rien n'y fait. Finalement les ingénieurs trouvèrent un moyen de faire redescendre la roulette et l'avion put se poser normalement.