1960年5月1日，一架來自美國的U2偵察機從巴基斯坦巴沙瓦附近的機場起飛，計劃再一次飛越蘇聯領空，並對蘇聯境內的多個軍事機密基地和工廠進行偵察。這項任務自1956年U2第一次成功飛越蘇聯領空開始，已經完滿執行了很多次。雖然蘇聯的雷達每次都能發現，但迫於U2高達20000米的巡航高度，沒有一款導彈能將其擊落，因此始終無可奈何。
然而，在這一天的任務執行中，一枚來自蘇聯防空軍的S-75防空導彈破天荒地擊中了這架執行任務的U2。總之，這架U2的墜毀將美國堂而皇之地侵犯其它國家領空和機密這一事實暴露於眾，直接導致當時剛有所緩解的冷戰風氣再次燃起。
為了避免再出現類似的尷尬局面，美國開始探索使用無人駕駛偵察機在極危險空域進行偵察活動的技術。洛克希德公司為此提出了用SR-71黑鳥偵察機改裝成高空高速無人偵察機的建議。
不過黑鳥偵察機的總設計師並不看好這個項目。在他看來，黑鳥偵察機本身太大太複雜，並不適合改裝成一種無人偵察機，但是可以借鑑它的設計思路和技術來設計一款小型無人偵察機，並使其可以通過黑鳥偵察機來攜帶和發射。因此，按照設計思路，D-21將是一款飛行高度在24000米到27000米，速度超過3馬赫的“黑科技”偵察機。這款偵察機就是D-21。
儘管D-21在12次發射實驗中
有8次失敗，但美國空軍和中央情報局實在沒有耐心等下去了。因為隨着在1964年和1967年我國相繼在羅布泊試爆了原子彈和氫彈，美方急需對我國進行核試驗的羅布泊地區進行偵察。於是D-21匆忙上陣。
1969年11月9日，一架B-52H攜帶着D-21從美國阿拉斯加的艾爾森空軍基地起飛，計劃針對中國羅布泊地區進行偵察。這也是D-21首次執行任務。
但是在B-52H到達指定空域併發射D-21後，D-21在助推火箭的強大推力下飛了出去，卻莫名其妙的消失了，就此音信全無。之後兩次任務執行，也因為各種原因未能圓滿完成。
而在1971年3月20日D-21的第四次任務執行中，據馬傑三將軍回憶錄記載，美軍“高度3萬3，速度3千3”的新型無人駕駛高空偵察機，失控墜落在位於我國西南地區的雲南省西雙版納森林裏。由於熱帶雨林的緩衝作用，飛機殘骸保存相對完好，成為我國當時價值極高的戰利品。對於當時剛剛起步的中國航空工業來説，簡直是如獲至寶。
至於第四架D-21到底是為何墜入我國西雙版納的，至今也沒有具體的公開解釋。2010年，這架D-21飛機的殘骸開始在位於北京小湯山的中國航空博物館內展出。
