到了1951年，臭鼬工厂又代表洛克希德公司参与了美国空军举行的新型战术运输机的竞标。在经过一场短暂而激烈的竞争后，臭鼬工厂击败波音公司、道格拉斯公司和费尔柴尔德公司，为洛克希德公司赢得了项目。后来的飞行试验结果显示，臭鼬工厂所设计的C-130运输机在最高速度、巡航速度、爬升率、航程等性能上都超过了美国空军提出的要求，让美国空军颇为满意。为了满足各种不同的使用需求，臭鼬工厂又在已有的C-130基础上发展了多种改进型，如生产型C-130A、发展型C-130B、可用于南北极地的C-130D、航程增强型C-130E、功率增强型C-130H、军事巡逻和搜索救援型C-130H-MP、武装攻击型AC-130A、战术机载指挥和通信型EC-130等。概括地讲，C-130可按需要运送或空降人员以及空投货物，返航时可从战场撤离伤员。经过改型后，C-130还可用于高空测绘、气象探测、搜索救援、森林灭火、空中加油和无人驾驶飞机的发射与引导等多种任务。C-130广泛的用途除了赢得美国空军的青睐外，还吸引了世界众多国家的目光，据统计，C-130战术运输机的各种改型出口到了世界50多个国家和地区。时至今日，由臭鼬工厂所设计的C-130仍被视为当今最好的战术运输机之一，并有着源源不断的采购订单。
在臭鼬工厂这一阶段所研制的飞机中，尤其值得称道的就是F-104“星”单座战术战斗机。在20世纪50年代初的朝鲜战争中，美国空军的主要战斗力量F-51活塞式战斗机和F-86喷气式战斗机均败给了苏联的新型喷气式战斗机米格-15，导致了美国空军的惨重损失。米格-15在朝鲜战场上的表现给所有经历过朝鲜空战的美国空军飞行员都留下了深刻的印象，并且给予美国航空界极大的震撼，当然也包括以研制新式战斗机为己任的臭鼬工厂。
为了更准确了解米格-15的情况，臭鼬工厂的负责人凯利·约翰逊于1951年亲临朝鲜战场，实地了解了米格-15的情况、飞行员与米格-15的实际作战经验，以及飞行员对未来战斗机的意见。飞行员们一致认为——最理想的飞机应该是比在役战斗机更轻、更廉价、速度更快、升限更高、爬升率更大并具有良好机动性的飞机。事实上，对米格 -15 和 F-86 的性能有些了解的人都会发现，米格 -15 恰恰是在速度和垂直机动性方面超过了 F-86。这种新式战斗机的观点也正巧与臭鼬工厂20世纪50年代初期以来的想法不谋而合。
凯利·约翰逊回到美国后，臭鼬工厂在洛克希德公司的支持下，快速研发了一种新型战斗机：简单、快速（最后达到了两倍声速）、灵活、轻型、廉价，但性能却远远优于当时在役的所有战斗机。虽然当时美国空军还尚未提出正式的设计要求，但臭鼬工厂的方案最终征服了美国空军领导层，臭鼬工厂再次为洛克希德公司赢得了合同——生产两架供验证评估用的原型机，编号为XF-104。臭鼬工厂于 1951 开始研制，1954 年 2 月原型机 XF-104 实现首飞，1958年1月第一架生产型F-104A交付使用。为了使飞机最终能达到最快的速度，臭鼬工厂采用了J79-GE-11A涡喷发动机，所设计的飞机空重也完全符合美国空军所给的标准，其高推重比也使飞机在高超声速飞行时占据较大优势。但因F-104航程短、事故多，在美国并未大量装备。为此，臭鼬工厂对F-104不断改进，发展了多种改进型别，如昼间战斗型A型、A型的教练型B型、有限全天候战斗轰炸型C型、C型的教练型D型、全天候多用途型G型、与G型相同的日本仿制型J型、意大利改进的截击型S型等，以及F-104的衍生机型CL-1200/X-27“枪骑兵”。其中，F-104G是一种多用途改型，其结构、机载设备等均在已有机型基础上得到了优化。改型的F-104在西欧广泛使用，成为北约的标准战斗机，先后装备了西德、希腊、意大利、荷兰、比利时、加拿大、挪威、土耳其、日本、巴基斯坦等多个国家和中国台湾地区，并有6个国家生产了25年以上。F-104最终生产2500多架，取得了极大的商业成功。
臭鼬工厂所研制的F-104“星”战斗机是世界上第一架具有两倍声速的战斗机。由于其高速的性能和独特的外形，后来还被称为“载人飞弹”。1959年，F-104因为其“在航空事业中取得最大成就”，还为美国空军、通用电气公司及洛克希德公司赢得了科利尔奖杯，这是美国航空领域最具名望的奖项。在完成F-104项目后，最初由临时工棚搭建的臭鼬工厂也发展为洛克希德公司永久性的一部分。
在这一阶段，除了上述飞机外，臭鼬工厂还研发了“土星”75、XR6O-1、XF-90、RB-69、X-7、靶机XQ-5、XFV-1等多型飞机，虽然其中一些项目被中途取消，但对臭鼬工厂而言，不论是技术上，还是管理上，都积累了丰富的经验，取得了一定进步，这些项目的开展让臭鼬工厂得到了全面的成长，并为其后来的兴盛打下了基础。
1.5 臭鼬工厂的辉煌岁月
20世纪50年代中后期，臭鼬工厂迎来了新的发展契机。美军绝密航空研制计划U-2就是从那个时候开始的。U-2项目的成功让实质上已经不存在的臭鼬工厂发展成为了一个真正意义上的预先研究设计工程团队，而且还成为了一个生产部门。臭鼬工厂由此获得重生，其独特的工作方式和设计师们卓越的创造力也有了更大的发挥空间。后来发展的SR-71侦察机（20世纪60年代研制）、大名鼎鼎的F-117A隐身战斗机（20世纪70年代末～80年代初研制）以及美国乃至世界上第一架第四代战斗机F-22（20世纪80年代中后期研制），迄今为止都可谓是臭鼬工厂最值得称赞的骄傲之作。可以说，20世纪50年代中后期～90年代初期是臭鼬工厂发展史上的鼎盛时期。
虽说臭鼬工厂的重生得益于U-2侦察机项目，然而为了拿到这一项目，臭鼬工厂也是煞费苦心。第二次世界大战结束后，美苏关系急剧冷却。苏联的军事力量迅速发展，再加上核武器系统的研发，使美国备受威胁。发展一种亚声速高空侦察机的计划也就由此而提出。不过，在美国国防部最初的项目招标名单中却不包括具有快速高效研发能力的洛克希德公司臭鼬工厂，这让其略感失落。尽管如此，从一开始就“不走寻常路”的臭鼬工厂，仍以独特的方式争取到了U-2项目。实际上，臭鼬工厂在这之前已经开始此类侦察机的研究工作，也有了一定的基础。于是，1954年3月，大胆的臭鼬工厂负责人凯利·约翰逊向美国空军及中央情报局（CIA）毛遂自荐，提出了他们的设计方案，并承诺在8个月内交付飞机。尽管臭鼬工厂的方案当时得到了部分官员的认同，但仍未能赢得合同。几个月后，在美国总统艾森豪威尔的首肯下，中央情报局才与洛克希德公司签订了正式的新型侦察机合同，并命名为U-2。
正如前文所述，赢得U-2侦察机研发任务后，臭鼬工厂连同其制造实验室基本发展为一个自主单位，并且后来还开展了U-2侦察机的生产制造，这也是臭鼬工厂首次参与飞机制造。由于U-2的良好表现，臭鼬工厂最后以相同的经费、更少的零件，生产了比预定数量更多的U-2飞机，创造了臭鼬工厂高效率、高质量、低成本研发生产的辉煌成就。通过U-2的研制、试飞、生产等一系列工作，臭鼬工厂还培养了一支技术骨干和飞行员队伍，同时工厂的工作条件也得以大大改善。是臭鼬工厂生产U-2A的厂房。由于U-2属于高度机密项目，其研制和生产仍以臭鼬工厂独特的方式进行着。在后来U-2的改进型上，臭鼬工厂首次采取了降低飞机雷达可探测性的手段，虽然效果不明显，但却为今后隐身技术的发展找到了方向。
1956年，当高空侦察机U-2刚投入使用时，臭鼬工厂已经开始计划它的后继机型：一种能弥补 U-2 飞行速度低、雷达截面积（Radar Cross Section，RCS）大的缺点的侦察机，特别是当U-2在苏联上空执行侦察任务被雷达发现时，臭鼬工厂更加意识到需要对其进行改进。于是，臭鼬工厂试图将其研发的反雷达隐身技术用在U-2上作为一种改型，但是收效甚微。臭鼬工厂后来意识到，一架飞机要具有隐身的特性，必须从一开始就在设计中包含有某些特征，而不是后来再加上去。因此，臭鼬工厂希望用一种新设计的飞机来代替U-2。
在官方没有提出设计要求的情况下，臭鼬工厂自发制定了设计要求，并着手研究。从1958年至1959年期间，臭鼬工厂向中央情报局和美国空军提出了一系列方案（共12种设计，排号从A-1到A-12）。虽然中央情报局一开始并不愿意未经设计投标就把研制U-2后继机型的合同给制造U-2的同一家公司，但臭鼬工厂的方案实在大大优于其他公司的方案，所以新式侦察机的研发合同最终还是由臭鼬工厂赢得，选中的方案是A-12。这就是臭鼬工厂后来所设计的SR-71的前身。然而，要研制出达到如此飞行高度和速度的飞机，并非易事，需要开发新的特殊燃料、新的工艺、低RCS的特种材料等，飞机和发动机的设计也都必须是全新的。
最终，臭鼬工厂没有辜负期望，通过大量的尝试与论证，解决了所有的问题，获得了SR-71项目的成功。值得一提的是，臭鼬工厂在SR-71侦察机上使用了低RCS技术，使SR-71成为美国第一架拥有隐身性能的飞机，使美国在隐身技术方面向前迈进了一大步，为臭鼬工厂SR-71的生产车间。
在A-12的基础上，除了SR-71外，臭鼬工厂还于1960年10月发展了世界上首架速度达到Ma3的侦察机D-21型无人机，该型无人侦察机是凯利·约翰逊设计的“黑鸟”系列中最小和最鲜为人知的一种，它隐藏在神秘面纱后面长达40多年。D-21是一种由飞机发射的无人侦察机，开始试验时由M-21（带D-21的A-12飞机，M表示“母机”）发射，后来改由B-52H发射。从1966年3月开始，D-21装在M-21机背上共做了4次发射试验，这些试验都或多或少存在一些问题，此后就改用更为常规的久经考验的B-52H来发射。为实现B-52H翼下发射，对D-21做了一些更改，更改后的D-21称为D-21B。据资料介绍，D-21B共有4次作战发射，其任务都是为了窥探中国中西部的核试验设施，但均以失败告终。第一次直接飞到苏联境内坠毁；第二次和第三次的可回收任务载荷直接落到海里没能打捞上来；第四次坠毁在中国境内，也有资料报道为被我军击落，其残骸所示。尽管如此，D-21的机体设计和动力装置代表了当时的最高水平，使用了复合材料，涂有“铁球”雷达吸波漆，是一架低RCS无人机。在D-21问世之前，还没有一台冲压喷气发动机能使飞行器飞几分钟以上，D-21采用的XRJ-MA20S-4提供的动力可满足全航时（1.5h以上）需求。
到了20世纪60～70年代，臭鼬工厂又研发了YF-12拦截机、X-24C和X-27等原型机。YF-12最终顺利投产，而X-24C项目因为研制费用的不断增加而宣告结束，X-27项目也由于没有得到国会和国防部的支持，未能获得拨款，在原型机开始制造之前就下马了。
在臭鼬工厂争取X-27项目期间，洛克希德公司曾通知约翰逊，除非他们开始自己负担经费，否则将解散也许是当时世界上最富创造性的最有声望的臭鼬工厂。凯利·约翰逊把这个消息告诉了美国国防部（很多人认为这一招非常高明），并称世界上如果没有了臭鼬工厂将会是什么样子。约翰逊的计策收到了预期的效果，1971年4月，美国空军正式批准了继续进行X-27计划，臭鼬工厂得以继续发展。
凯利·约翰逊用X-27巧妙的设计攻破了美国国防部的官僚主义，使政府和洛克希德公司都受到诱惑而投资研制X-27。他精明的推销策略永远留在了人们的脑海中。不幸的是，凯利·约翰逊的推销技巧被那个时代占主流的政治和契约氛围击败。事实证明：与政治势力非常强大的F-X（后来成为麦克唐纳·道格拉斯公司的F-15）和VFX（后来成为格鲁门公司的F-14）这些项目的支持者竞争，光凭凯利·约翰逊和洛克希德公司的能力是无法战胜的。结果是，引人注目的X-27“枪骑兵”最终还是被取消了。但此时关于臭鼬工厂也将消亡的预言还显得为时过早。它的运作不仅使洛克希德公司从危机中生存下来，而且设法转移到了更大而且更赚钱的项目上。
