高超音速飛行是以大于 5 馬赫的速度在高度約 90 公里以下的大氣層中飛行，空氣離解開始變得顯著并且存在高熱負荷的速度。 截至 2020 年，在熱層以下的速度已達到 25 馬赫以上。

xxx個實現高超音速飛行的人造物體是雙級 Bumper 火箭，由 WAC Corporal 第二級設置在 V-2 xxx級之上。 1949 年 2 月，在白沙，火箭達到了 8,290 公里/小時（5,150 英里/小時）的速度，或大約 6.7 馬赫。 然而，這輛車在重返大氣層時燃燒，只發現了燒焦的殘余物。 1961 年 4 月，俄羅斯少校尤里·加加林在世界上xxx次有人駕駛的軌道飛行中成為xxx個以高超音速飛行的人類。 不久之后，1961 年 5 月，艾倫·謝潑德 (Alan Shepard) 在大西洋上空的亞軌道飛行結束時，他的太空艙以超過 5 馬赫的速度重新進入大氣層，成為xxx個和第二個進行高超音速飛行的美國人。

1961 年 11 月，空軍少校羅伯特·懷特 (Robert White) 以超過 6 馬赫的速度駕駛 X-15 研究飛機。1967 年 10 月 3 日，在加利福尼亞，一架 X-15 達到了 6.7 馬赫。

航天器的再入問題得到了廣泛的研究。 NASA X-43A 在超燃沖壓發動機上飛行了 10 秒，然后在 2004 年的最后一次飛行中滑翔了 10 分鐘。波音 X-51 Waverider 在 2013 年在超燃沖壓發動機上飛行了 210 秒，最終在其第四次飛行測試中達到了 5.1 馬赫。 高超音速系統從此成為21世紀進一步研究的課題，也是美國、印度、俄羅斯和中國之間戰略競爭的課題。

空氣在物體周圍流動的駐點是其局部速度為零的點。 此時空氣在該位置周圍流動。 形成沖擊波，使空氣從停滯點偏轉并將飛行體與大氣隔離。 這會影響飛行表面的升力能力以抵消其阻力和隨后的自由落體。

為了以比超音速更快的速度在大氣中機動，推進的形式仍然可以是吸氣系統，但沖壓噴氣發動機不足以使系統達到 5 馬赫，因為沖壓噴氣發動機將氣流減慢到亞音速。 一些系統（乘波器）使用一級火箭將物體推進到高超音速狀態。 其他系統（助推滑翔飛行器）在初始助推后使用超燃沖壓發動機，其中通過超燃沖壓發動機的空氣速度保持超音速。 其他系統（彈藥）使用大炮作為初始助推器。

高超音速流是一種高能流。 動能與氣體內能之比隨馬赫數的平方增加。 當這種流動進入邊界層時，由于空氣與高速物體之間的摩擦，會產生高粘性效應。 在這種情況下，高動能部分轉化為內能，氣體能量與內能成正比。 因此，由于流動動能的粘性耗散，高超聲速邊界層是高溫區域。 另一個高溫流區域是強弓形激波后面的激波層。 在沖擊層的情況下，流體的速度在通過沖擊波時不連續地減小。 這導致動能損失和沖擊波背后的內能增加。

由于沖擊波背后的高溫，空氣中分子的解離變得熱活躍。 例如，對于 T > 的空氣 2000 K，雙原子氧離解成氧自由基活躍：O2 → 2O For T >; 4000 K，雙原子氮解離成 N 自由基是活躍的：N2 → 2N 因此，在這個溫度范圍內，等離子體形成： -分子解離，然后氧和氮自由基重新結合產生一氧化氮：N2 + O2 → 2NO，然后 解離并重組形成離子：N + O → NO+ + e?

在標準海平面條件下, 低密度空氣稀薄得多。由于這個大的自由平均路徑，基于連續體假設的空氣動力學概念、方程和結果開始崩潰，因此必須從動力學理論考慮空氣動力學。 這種空氣動力學狀態稱為低密度流。