1964年4月，在东京湾事件之前，参谋长联席会议列出了一份94个建议目标的清单，其中包括保罗.杜梅大桥和清化大桥。历史证明约翰逊总统的军事领导人对中苏威胁的忽视是正确的，但当时已经制定了计划，如果发生这种干预，美国将派出一支庞大的部队。滚雷行动的另一个严重限制是美国政府(尤其是国防部长麦克纳马拉)认为仅靠空中力量永远无法赢得战争，只能说服河内进行谈判。1965年中，麦克纳马拉总结了约翰逊政府对这个问题的看法，他说："我们不认为轰炸北方会迫使北越坐到谈判桌前，或迫使他们停止恐怖战术和颠覆活动。"
滚雷行动最初计划持续数周，而且根据麦克纳马拉的说法，它一直被视为"南越空对地作战的附属行动"，因此被一系列"轰炸暂停"的谈判所打断。这场行动最终于1968年3月结束，当时，约翰逊总统公开承认行动失败，他希望尽快结束这场强加给他的战争，并表示自己不会在当年晚些时候竞选总统连任。
进攻开始时犹豫不决，前四次任务因西贡未遂政变而推迟，随后又因恶劣天气而取消。最终，1965年3月2日，滚雷"5号计划"对两个目标展开打击----位于非军事区北方的桑奉(Xom Bong)弹药库和兵营，以及北越南方的广溪(Quang Khe)海军基地。桑奉遭到了25架F-105的轰炸，此外还有16架提供支援的F-105、20架B-57、8架压制防空火力的F-100和一支F-100空战战斗空中巡逻小队也参与了此次行动。另外12架F-105、25架F-100、以及南越空军的一支A-1H中队轰炸了广溪，5架飞机没有返航，其中包括3架67TFS中队的F-105D。
带着救生装备和背包降落伞，355TFW联队的副联队长杰克.布劳顿(Jack Broughton)上校爬进了他的F-105D 62-4338 "Alice's Joy"。
12TFS和67TFS中队的F-105成功地摧毁了高射炮阵地，保证了攻击机编队没有遭受任何损失，但自己却被击落三架。所有跳伞的三名飞行员都被成功救走，其中包括罗伯特.拜尔德(Robert Baird)上尉，他在他的座机F-105D 61-0214撞地前几秒钟弹射。另外两名雷公飞行员坚持驾机到友军控制的领土上空才跳伞[驾驶F-105D 62-4325的肯尼斯.斯帕格诺拉(Kenneth Spagnola)上尉和驾驶F-105D 62-4260的乔治.帕纳斯(Geroge Panas)少校]。
美国政府的"越南化"政策要求南越空军部队参与早期的滚雷行动，但他们的战备状态不佳导致第二个"计划"推迟到3月14日。当天，南越空军司令阮高祺(Nguyen Cao Ky)带领着一批F-105、防空火力压制的F-100以及一支空战战斗空中巡逻小队轰炸了北越沿海的虎岛。第二天，20架F-105D参加了一支由137架飞机组成的大机群前去轰炸河内南部的富贵(Phu Qui)弹药库，除了M117炸弹和2.75英寸火箭弹以外，这些飞机还挂载了凝固汽油弹，这是他们首次获准使用这种武器。凝固汽油弹对于补给点和兵营来说非常有效，而炸弹则更适合用于打击加固建筑，火箭弹或CBU-2集束炸弹则用于打击高射炮阵地和水上目标。
1969年，357TFS中队的F-105D 61-0134 "SWEET CAROLINE"在前往老挝的任务途中准备接受空中加油。此机挂载了Mk82和Mk84常规炸弹。即使在晴朗的天气和大白天加油也是很危险的。1967年8月3日，两架333TFS中队的F-105D于空中相撞，当时一名飞行员在加油后意外向右而不是向左倾斜，被另一架朝加油吊杆飞来的喷气机撞上。只有一名飞行员从爆炸产生的火球中逃脱。"SWEET CAROLINE"在战争中幸存下来，并于1971年至1976年间在弗吉尼亚州空中国民警卫队服役。
尽管受到全世界的谴责，但这些早期袭击的积极结果促使美国空军参谋长约翰.保罗.麦康奈尔(John Paul McConnell)从越南军事援助司令部手中夺取主动权，提议进行为期28天的战役，迫使原本预计会遭到大规模攻击的北越退缩。参谋长联席会议将此扩展为四个阶段的提议，首先集中攻击北越南部的交通网络，然后是通往中国的重要铁路线，接着在主要港口布雷并轰炸河内和海防的战争物资。最后，任何其他有价值的目标(机场除外)都将被消灭。格兰特.夏普海军上将的舰载机拥有比当时美国空军更好的铁掌反雷达武器，他还主张展开为期一天的攻击，以摧毁北越的雷达预警网络，但麦克纳马拉只同意打击其中3座雷达站。
3月22日，在首次没有南越空军参与的滚雷行动中，8架67TFS中队的F-105在中队长罗宾逊.莱斯纳(Robinson Risner)中校的带领下攻击了永山(Vinh Son)的"月锥"雷达站。莱斯纳自1963年起驻扎在冲绳，自从接受临时任务派遣抵达呵叻基地后，他每天都要执行飞行任务，他的座机经常被击中。在永山上空，莱斯纳的F-105D 62-4233号机再次中弹，他飞到海上跳伞后被一架HU-16B水上飞机救走。救援的照片成为了《时代周刊》的封面，不幸的是，当莱斯纳于9月16日第二次被击落时，河内的审讯人员注意到了这张照片。
1969年11月，354TFS中队的F-105D 62-4230于老挝茂密的森林上空巡航。在这样的地形上识别目标或被击落的飞行员对于美国飞行员来说是相当困难的。
3月，F-105机群又发起了2次反雷达攻击任务，虽然铁掌攻击破坏了敌人不断扩大的预警雷达网络，但目标的选择仍然是基于"应继续避开北越空军米格机的有效地面管制拦截范围"。为为了给攻击机提供进一步的保护，麦克纳马拉允许45TFS中队的F-4C鬼怪II战斗机于4月4日部署到乌汶皇家泰国空军基地，这些战斗机从4月7日起为F-105的空袭行动提供空战战斗空中巡逻掩护，并取代了F-100和F-104战斗机。该中队在1965年7月10日的一次F-105攻击任务中首次击落米格机。