1962年底，4TFW联队开始换装F-105D，解决了飞机上的许多复杂问题，并且证明了飞机的质量足以让其成为一款超级战斗机。这其中包括了在飞机速度范围的巨大稳定性，在高速情况下飞机不会自动上仰----早期超音速飞机的通病(比如幻影IIIC就有这种问题)。M61A1的精度非常高，飞机可以在低空以不可思议的速度投放炸弹。被这种新飞机震撼到的一名飞行员名叫穆雷.邓顿(Murray Denton)，他回忆道：
"我对这飞机的第一印象就是它巨大的身躯和宽敞的座舱。我是一名F-106三角标枪的飞行员，我无法相信其漫长的起飞程序。我能够记起夜间飞行带了3个副油箱，向发动机喷水以获得更大的加力，我们在整条9000英尺长跑道的尽头才收起翼襟。这是一个非常稳定的平台，飞机在海平面至15000英尺高度都正常工作，而且在军用推力下，这种飞机在低空的速度比当时的任何飞机都要快----这就是这么轻松！这架飞机还有一门炮并且是一个非常稳定的轰炸平台，即便是挨了几发炮弹一样能够飞回家。"
F-105的机腹弹舱。
然而，F-105的反对声依然存在，并且像"Thud(轰的一声)"(后来由飞行员讽刺所取的)这样贬低的绰号，这要归咎于其早期的事故损失率，尽管其事故率在百系列飞机中只占倒数第二。批评声还感叹飞机高昂的花费，美国空军计划花费105000美元来取消飞机的航炮、油箱的灭火装置、ALE-2干扰箔条投放器和AN/APS-54及AN/APS-92雷达全向告警器。对于幸存到战争结束的这些飞行员而言，1959年4月1日，作为替代方案，F-105D的产量被减少至359架并且砍掉了双座型F-105E的订单，只有在欧洲的两支美国空军联队(36TFW和49TFW)于1961年5月12日至1963年6月24日间接收了203架F-105D，这些飞机中的绝大多数之后都被重新部署到越南战区。
第一架生产型的F-105D (58-1146)在1959年6月9日完成首飞，和B型不同的是机鼻被加长了15英寸，用来安装AN/ASG-19雷杆火控系统以及R-14A雷达，主要是地图测绘。具备了地形规避模式，飞机有限的全天候能力都来自于通用电气的FC-5火控系统。
F-105D-1-RE 58-1146, photo via wikipedia.org
这些新安装的航电设备迫使共和公司将M61A1航炮装回飞机上(B型上机鼻的大多数空间都是被其所占)，为了节省空间，航炮的双重供弹器被一个弹药桶所取代。取消了弹药箱和供弹链后，一个弹药盒被安装进来用于配平前后机身的重力，但因为M61A1是无链供弹的，使得它的弹药盒重新变成弹药桶。战斗中，航炮100发/秒的炮弹倾泻能力经常用来扫射卡车队或者高射炮阵地。
在座舱里，B型上的"蒸汽测量"仪表被垂直皮尺所取代，可以预设浏览高度和速度。
J75-P-19发动机的36加仑水箱给予发动机35秒钟的额外2000磅加力，在海平面上的推力总共可以高达26500磅。这通常在飞机起飞时使用，而且成为了驻扎在泰国的作战中队的标准装备，由座舱里的一个开关启动。因为水箱不强调在飞行中使用，所以当飞机在起飞时飞行员忘了打开开关，系统也会自动给发动机喷水加力。
飞机起落架也被加强了，因为相对于F-105B-20-RE的46998磅起飞重量，D型增加了2000磅。这是当时全世界最重的单发战斗机，但是飞行员们期待着来自于共和的"火车头工作"。
F-105至关重要的"零高度"速度比起F-105B的750节来慢了25节，而失速速度还要高一些，达到了180节。
F-105D的座舱
F-105F的后座舱
负责训练F-105飞行员的任务交给了内华达州内利斯基地4520CCTW联队4256CCTS中队。他们在1960年8月1日接收了第一批F-105D飞行员。9个班的学生花了2个月时间来学习导航和武器系统，此外还有在F-105上45个小时的飞行训练时间。其中包括了雷达导弹和战斗模拟，重点放在了核弹投放而不是使用机身中线挂架上或者内置弹舱内的MN-1A炸弹布撒器。空战训练几乎没有----60年代战斗机飞行员训练中的通病。
杰克.布劳顿(Jack Broughton)上校，在1945年开始参加战斗，也是最早驾驶F-105加入越战的飞行员之一：
"绝大多数驾驶F-105的老鸟们都对空战有很大把握，我不认为空战在训练科目中是无关仅要的，至少不是在我们这个水平。在我到东南亚作战期间并没有接收多少学员，我们需要有经验的人前往北边，如果有新人来了，我们将会告诉他我们所知道的一切。"
历史频道《Wepons at War》系列之《Air War in Vietnam》中接受采访的杰克.布劳顿
内利斯为有经验的战术空军飞行员进行教学，直到双座的F-105F出现后才使得飞行员们可以在学校里进行训练。在总共的739小时里，学员们有120小时花费在4526CCTS中队中来学习如何驾驶这种飞机。第二支中队，4523CCTS中队于1962年10月开始参与训练，直到两支中队在1968年1月20日停止运作。在1966年间，F-105是越战中的中坚力量，训练任务也交给了西摩.约翰逊基地的4TFW联队和麦康奈尔基地的23TFW联队，时间是1966年1月1日至1970年11月间。后者在1967年8月1日重新启动了一支新的中队----4519CCTS中队(1969年10月15日后改称419TFS中队)，作为内利斯基地训练任务的分担，为轰炸机、运输机以及文职官员提供60小时的飞行训练，第一批16名飞行员中的15人在越战中不是被俘就是阵亡。
双座型在1962年以仪表飞行教练机的形式出现，当时最后143架F-105D-31的订单被取消了，以便追加107架F-105F-1，双座型的机身比单座型加长了31英寸，垂尾加高了5英寸，面积增加了15%，增加的3000磅重量也意味着要加强起落架。一名在越战中驾驶F-105F的飞行员告诉布劳顿"飞机比D型更好操作、更加灵活而且耗油率也更低。"
F-105F的原型机62-4412, photo via aviationspectator.com
F-105F的原型机(62-4412)于1963年6月11日服役，交付则在1963年末开始，尽管后座有限的视角影响其成为一种教练机的可能性，但F型却在战争中找到了其它用途，1965年1月，最后一架F-105F 63-8366下线后生产线关闭。
为欧洲的两个联队训练完飞行员后，4520CCTW联队从1962年秋开始为太平洋的18TFW联队训练飞行员，这支中队驻扎在冲绳的嘉手纳(Kadena)基地，也是1963年初发起飞鱼行动的基地。此外还有日本福冈板付(Itazuke)基地的8TFW联队，后者在1963年春开始换装F-105D，1964年7月10日离开九州前往泰国。
F-105D 与F-105F的主要区别在于机身长度和垂尾面积
8TFW和18TFW联队的核战备值班意味着他们要轮流驻防韩国的乌山(Osan)基地，在F-105联队到越南战区的整个作战期间都没有停止在韩国和日本的轮换驻防。太平洋作战司令部的F-105作战单位在任何时候都有几架飞机保持在战斗警戒状态，在机内弹舱里挂载Mk28或Mk43核弹，或者在机身下挂载Mk61核弹，飞行员已经被告知了要轰炸的重点目标，而且经常进行核弹投放的训练。
从1964年起，在越南战区的飞行员们知道了被俘后的危险性，敌人会想办法从他们嘴里得出他们对于核武器的知识以及关于苏联和中国大陆目标的情报，使得他们被关进牢里或者更加痛苦。然而，布劳顿的看法却不是在越南战区里飞行员的大脑里所经常想到的：
"我们喜欢赛车一样的驾驶，我们那些事情会发生在某些人身上，但不是我们身上，我们想赢得战争，我们不想被击落，为什么我们要为此而担心？"
4520CCTW联队臂章, photo via supersabresociety.com
