1962年底，4TFW联队已经换装F-105D，解决了飞机上的许多复杂问题，并展示了使其成为一款出色战斗机的品质。其中包括在整个速度范围内具有出色的稳定性，高速机动时不会出现俯仰----这个问题困扰着其它早期超音速战斗机。M61A1航炮非常精确，并能够以前所未有的速度在低空投掷弹药。对新飞机印象深刻的飞行员之一是穆雷.登顿(Murray Denton)，他回忆道；
"我对F-105的第一印象是它有多大，驾驶舱看起来有多宽敞。之前驾驶过F-106三角标枪，我简直不敢相信它有这么长的起飞滑跑距离。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----只是不能转太大的弯！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(砰的一声)"(后来由飞行员讽刺所取)这样贬低的绰号则暗指其早期的损失率，然而其事故率在百系列飞机中只占倒数第二。批评声还感叹飞机过高的成本，美国空军计划取消飞机的航炮、油箱的灭火装置、ALE-2干扰箔条投放器和AN/APS-54及AN/APS-92雷达全向告警器来为每架飞机节省105000美元的成本。对于幸存到战争结束的这些飞行员而言，幸运的是，除了最后一个之外，其余的都保留了下来。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，只有美国空军欧洲司令部的两支联队(36TFW和49TFW联队)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号机)于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，这些雷达针对地面测绘进行了优化。具备了地形规避模式，其有限的全天候能力都来自于通用电气的FC-5飞行控制系统。
这些新航电设备的安装迫使共和公司将M61A1航炮移回原位(占据了B型机鼻子的大部分空间)，为了节省空间，航炮的双重供弹槽被一个弹桶所取代。空弹壳和弹链链以前被放回弹药箱，以保持飞机的重心，但F-105D的弹药链是无链供弹的，因此可以将用过的弹壳放回弹桶。在战斗中，该武器100发/秒的射速对于扫射高射炮和运输目标来说是毁灭性的。
在驾驶舱内，B型机的传统"蒸汽表"仪表部分被垂直磁带显示器取代，根据预设值可一目了然地提供速度和高度信息。
F-105D-1-RE 58-1146, photo via wikipedia.org
JJ75-P-19发动机有一个36加仑的水箱，可向战斗机提供2000磅的额外推力，持续时间为35秒，使其海平面上的总推力达到26500磅。这种喷水加力仅在飞机起飞时使用，当部队从泰国起飞执行作战任务时，它成为一项标准要求。该系统由驾驶舱开关启动，如果飞行员忘记打开它，系统会自动将水倾倒在跑道上，因为水箱里的水在飞行过程中不会成为负载。
与F-105B-20-RE的46998磅空重相比，F-105D需要加强起落架装置，才能应对额外增加的2000磅起飞重量。尽管这是世界上最重的单发战斗机，可是飞行员们对共和"火车工厂"的产品抱有这样的期望。
F-105D重要的"零高度"速度比F-105B的750节慢了25节，其失速速度略高，为181节。
F-105D的座舱
F-105F的后座舱
