F-105D
1959年交付4TFW联队的75架F-105B的武器投放航电设备包括了一台MA-8火控系统，它使用了一台E-50瞄准系统(联合E-34雷达系统一起使用)和E-30弹道计算机。到了B型进入前线服役的时候，美国空军的注意力都集中在了全天候的F-105D上，它使用了R-14北美搜索和测距雷达系统(NASARR)。机鼻被延长了15英寸，以便在更大的雷达罩内容纳下R-14A雷达的扫描天线，后者取代了E-34。它的多普勒惯性能力让飞行员能够不断更新他所在的地理位置，而且在坏天气、能见度低或者没有导航支援的时候变得尤为重要。
在北越上空，雷达经常会被关掉，因为它会弄响其它雷公编队的雷达全向告警器。这种雷达从理论上可以在武器选择开关上使用“空气枪”设定。但是在战斗中，飞行员发现在10000英尺高度以下(绝大多数空战发生的高度)的时候，由于地面杂波的干涉，它提供的信息不够可靠。除非飞行员使用完全雷达锁定模式，否则无法对炮弹超长的轨迹进行补偿。
很多越战早期的飞行员和飞机都来自2支驻欧洲的雷公联队，照片中，F-105D 60-0490上涂有原始的银色，隶属于西德比特堡基地的36TFW联队。如果雷达应答器没有响应的话，没有涂装的飞机对于地面管制进场雷达来说更容易被发现。比特堡基地的F-105在1965年被F-4鬼怪II取代，而斯潘达海姆基地49TFW联队的雷公则从1966年末起向泰国转移。这些飞机接下来由达欺基地的355TFW联队354TFS中队使用，涂有RM尾码，绰号“机长广播/把他们核平”。
在越南，遇到潜在的空中目标时，目视识别要远比雷达识别重要。
安装新的AN/ASG-19雷杆火控系统和航电设备占据了原先F-105B上M61A1航炮所在的位置，结果就是航炮向机身更加靠后的位置移动。D型同样还更改了座舱的布局，一些传统的仪表盘被2个垂直的磁带显示器取代，用于快速参考速度和高度。
F-105D的交付从1961年3月开始，第一批装备內利斯基地的4520CCTW联队，首支F-105D作战联队是西德比特堡基地的36TFW联队，他们于1961年5月12日接收了第一批飞机。在不到4年的时间里，绝大多数这些飞机都被转移到泰国的基地，用于参加越战。1961年美国空军计划给14支战术联队装备F-105D，但是约翰.肯尼迪政府和吝啬鬼国防部长约翰.麦克纳马拉把数量减少到了8支联队，剩下的都换装F-4鬼怪II。只有610架F-105被制造出来了，而到了1970年，事故或作战而损失掉的数量超过一半。由于缺少机体，F-105成为了美国空军唯一一种因为过度消耗而被撤出前线的作战飞机。
F-105F后部座舱有限的视野降低了飞机在训练时的效率，学员们的前3次飞行都是在后座舱里作为观察员，之后和教官一起飞行“追着”另一架飞机，而不是冒险在F-105F的后座舱里驾驶！照片中这架F-105F后座舱盖被遮光板遮住，在核武器投放时使用。结束了在36TFW联队里的服役后(照片中)，它被转交给355TFW联队，里奥.托斯尼斯(Leo Thorsness)少校和哈罗德.约翰逊(Harold Johnson)上尉驾驶此机于1967年4月19日的一次野鼬鼠任务中击落了1架米格-17，加上第二个战果的良好旁证，而且在任务中表现英勇，托斯尼斯最后被授予了一枚国会荣誉勋章。
双座型的F-105F在1962年5月姗姗来迟，取代了共和公司订单上最后的143架F-105D。F型的机身被延长了31英寸，以便容纳下第二个座舱，而且垂尾的面积也增加了15%，部分原因是为了保持重心的位置。两个座舱里都安装了弹射座椅，最初由弹道点火装置启动，但从1966年末起改成了火箭推进。虽然后部座舱的视野有限，但是从1966年中起，F-105F在內利斯基地里被大量用于训练，可能是因为单座机已经去参加战斗了。很多F型机体在后来都被改成野鼬鼠防空压制机，并保留了完整的作战能力。在击落米格机的雷公里，有3架是F-105F。
空对空武器
在F-105所有的型号上都安装了1台通用电气的M61A1火神炮，用于扫射和自卫。尽管有些时候被认为是次要武器，但F-105在越战中的27.5个空战战果里，除了2个以外全部都是用航炮获得的。这种航炮的射速是6000发/分钟，在后面的装置上通过液压驱动。早期的M61航炮(作为F-104的基本武器)是电驱动的，射速被限制在了4000发/分钟。航炮使用的是M50炮弹，初速为3380英尺/秒，持续时间是2.5秒。填满了弹药后，每发炮弹重1磅，加起来比航炮自身的275磅还重，弹壳和弹链与一个大型弹药筒相连。
航炮由一台陀螺前提量瞄准具瞄准，通常将射程设定在1500英尺，同时还配备了一台雷达测距仪，目标的距离(由雷达计算)和转向速率(由陀螺瞄准具计算)加在一起可以提高精度。火神炮的可靠性也是相当高的，就算是考虑到军械员在装填和维护上的压力，航炮的故障率也是由10%至12%----有时候是在大过载机动中开火时造成的，如果没有故障，可能还会击落更多的米格机。
M61A1航炮的使用经验决定了航炮在使用时应该从炮舱的盖板上得到更好的换气效果，这种实用液压系统贮箱就位于炮舱盖板的下方----这张照片中是F-105D 61-0105，旁边的飞行员是355TFW联队长鲍勃.斯科特(Bob Scott)上校。
查克.拜勒(Chuck Byler)在60年代是一名F-105军械员，他回忆道航炮起初是由“常规20mm弹链来供弹的，打光的弹链被扯到航炮的另一侧。航炮发射的速率和炮管旋转的速率一样快，在F-105D上，每门炮管射速为1000发/分钟或者100发/秒，而每门航炮有6根炮管。开火的速率没法改变，也不需要改变。通常，弹筒里有1027至1029发炮弹----大约可以打10秒钟。一个长点射可以让炮管发红，因此在练习中会安装‘开火时间限制器’，但实战中没有。
“一个早期的问题就是供弹的时候如何让装填有炮弹的弹链不被扯断，弹药供给的速度很快，因此经常被扯断。在F-105D/F的无链供弹系统里，输弹器在航炮和弹筒之间循环，一开始悬挂在地面上，然后装填入弹舱。装填完成后，弹筒将重新被装入飞机的机鼻里。一台麦卡洛链锯发动机被安装在输弹器上，用于轴承传动，驱动航炮顶端的旋转器。在常规弹链的重装填过程中，弹链被传输设备切断，然后每次给6根炮管里各装填1发炮弹。螺栓上有一个轴，以椭圆形的路径在炮管室里来回进出。
“传输带部分把实弹输入到航炮里，然后回到弹筒的另一侧，这些弹带看起来像是普通的链接一样，但是不会像普通弹链一样去包住炮弹。弹筒的外部是一系列的板条栓，板条的开槽侧面对着弹筒的内侧。实弹和弹壳在这些开槽里移动，由一个巨大的螺旋圈驱动，弹壳被每一发炮弹底部的萃取槽夹住，这样，炮弹就一直指向弹筒的内侧。一发炮弹失误就会把弹链卡主，因为炮弹会顶住并绑在板条做的滑轨上。航炮自身很少失灵或卡主，卡主的情况多由于弹筒或供弹系统的传输带而造成的。
F-105的主要武器是通用电气的M61A1航炮，后面的弹筒里可以装下1028发20mm M50炮弹。一个评估团队里包括了美国空军所有战术司令部里的代表，他们建议把M61A1航炮、油箱的爆炸物灭火器、电子对抗吊舱取消，让每架F-105D的价钱减少105000美元。幸运的是，这些建议被否决了，而且这些物品在战斗中被证明是关键的。就像前F-105军械员查克.拜勒(Chuck Byler)解释道的，“标准的作战装填是M50高爆燃烧弹和穿甲燃烧弹各7发，这样，除了重型坦克和混凝土掩体以外的所有物体都可以被这门炮轻易击毁。”
“重新装填了6次炮弹后，我们就应该要换炮管。当我一开始在1963年抵达比特堡的时候，那里没有人告诉我们怎么去维护航炮，因为没有人在训练学校里被告知应该如何去做，修理都是在紧急情况下完成的。我的第一项工作就是拆炮，清理并重组，其中一些在利比亚使用的时候混进了沙子。通常，我得把6根螺栓都换掉，然后再滑进去。一般，我会把航炮的每个部分都换掉，其中包括了外壳，但是没有换转子，它相当于步枪或手枪上的‘枪栓’。我见过一门航炮的转子被用烂了，以至于不得不被拆掉，但尽管状态很差，却还可以开火。
“火神炮设计最出彩的地方就在在于它像一个涡轮一样旋转，而不是像普通的机枪一样前后复进。著名的越战F-105飞行员吉姆.卡斯勒(Jim Kasler)在他的91次作战任务里没有遇到一起航炮卡住的事故，而且只要一有机会，他就会用航炮扫射次要目标。很明显，在越战期间，没有一名策划者认为航炮是一种主要武器，但是卡斯勒账下的很多目标都是被航炮摧毁的。”