1955 年 11 月，订购了 17 架 F-102B，编号从 56-451 到 467。1955 年 12 月，F-102B 准备好接受审查。1956 年 4 月 18 日，空军敲定了上年11月的 F-102B 生产合同，全部 17 架飞机都被用于测试。规定 1956 年 12 月交付一架原型机，其余在 1957 年 1 月交付。
1956 年 6 月 17 日，F-102B 的编号变更为 F-106A，因为官方认为到目前为止它已经是一种完全不同于 F-102A 的飞机了，而且要先进得多，同时还认为技术差别已经干扰了 F-102 项目。
1956 年 9 月，空军明确表示 1958 年 8 月前将得到 F-106A，这比初始计划完了四年。它不得不同半自动地面防空预警系统（SAGE）兼容，该系统的探测半径达到 430 英里（692 千米），探测高度达到 70,000 英尺（21,336 米）。截击机将能够在 35,000 英尺（10,668 米）上达到 M2，并能在休斯 MA-1 火控系统的引导下发射空空导弹和火箭。
F-106A 的机翼和 F-102A 的实质上是一样的。如同后者一样，F-106A 安装有外段机翼附面层隔板（翼刀），这种设计在 1957 财年被替换成了前缘缝翼设计。微小的战斗损伤，哪怕是机翼上的一个弹洞就可能使整个系统报废。基于这种考虑，“湿”翼内没有设置软式油箱，通过低压旁路从发动机引气充入油箱来实现燃料传输。
两者的主要外部差别在机身，F-106A 拥有更加新潮的外形和蜂腰设计（也称为“可乐瓶”设计）。变斜面进气道充分远离机鼻，安装点移动到更靠近引擎的位置。在垂尾上采用了蚌壳式空气制动器替代了垂直安定面和方向舵的组合。F-106A 采用了新的双前轮起落架。
F-106 四面图
第一批 F-106 在飞行速度超过音速时，上部和下部旋转导航灯可以自动缩回。不过这种设计后来被取消了。上部导航灯位于背脊，紧挨座舱盖；下部导航灯位于腹部，靠近前轮。
P&W J75 双转子轴流加力式涡喷发动机也是共和 F-105“雷公”的动力，净推力 15,000 磅（6,804 千克），加力推力 23,500 磅（10,660 千克）。
与 F-102 相同，F-106 安装了契型风挡。钢框架在飞行员面前将风挡隔开，严重影响了前方视线。
武备：和 F-102A 一样，所有导弹都容纳在宽大的腹部武器舱内，两扇折叠舱门由气动控制开闭。包括一枚携带 1,500 吨当量核弹头的道格拉斯MB-1（AIR-2A 或 2B）“妖怪”无控火箭，外加四枚休斯 GAR-3“猎鹰”雷达制导空空导弹或 GAR-4 红外制导空空导弹（后来分别重新编号为 AIM-4E 和AIM-4G）。F-102A 装备的 2.75 英寸无控火箭则被省略。
“妖怪”火箭挂载在弹舱后半部。它由能够产生 36,600 磅（16,600 千克）推力的锡奥科尔公司（Thiokol）TU-389 火箭发动机提供动力，在没有制导的情况下完全依靠 1,500 吨核弹头的巨大威力保证摧毁。它的发射重量为 822 磅（373 千克），最大速度有 M3.3。燃气舵在飞行时稳定火箭。射程大约 8 英里（近 13 千米），飞行时间约为 12 秒，爆炸半径约为 1,000 英尺（约 300 米）。
“妖怪”火箭
“猎鹰”是 AIM-26A“核猎鹰”的常规弹头改型。两枚半主动雷达制导的 AIM-4E 挂载在弹舱前半部，两枚红外制导的 AIM-4G 挂载在弹舱后半部，位于“妖怪”火箭两侧。全部“猎鹰”导弹都是触发引信的，引信安装在弹头前缘，所以只有直接命中才能完成摧毁。
正在等待挂载猎鹰导弹的 F-106
“猎鹰”导弹既可以齐射也可以成对发射。由于 AIM-4F 的气动射程大于雷达传感器的搜索和跟踪距离，因此红外制导的 AIM-4G 是攻击快速运动目标的首选。MA-1 火控系统快速解算出两组独立的结果，一组给 AIM-4G，另一组给 AIM-4F。如果 4 枚导弹将全部发射，AIM-4G 将首先发射，这样它们就不会意外地将雷达制导导弹当成目标锁定了。为防万一，一对 AIM-4F 导弹挂载在后舱。两种导弹采用成对同种齐射，开火时两枚导弹交替发射，总是一枚接着另外一枚。成对发射导弹是因为气动系统的气压只够武器系统完成三个周期。本质上说只有三次射击机会：一枚“妖怪”、一对 AIM-4F 和一对 AIM-4G。
F-106 发射妖怪导弹的情景
休斯 MA-1 火控系统整合了第一台为火控系统制造的数字计算机，还配备了一条连接北美防空司令部（NORD）半自动地面防空预警系统（SAGE）的数据链。这意味着在整个截击过程中能够保持无线电静默，同时自动驾驶仪在最终迫近目标过程中允许地面控制飞机。战术态势显示器（TSD）在飞行员两腿之间，显示截击过程穿越路径的移动地图。
雷达与红外（下）制导的猎鹰
首架 F-106A（56-0451 号）于 1956 年末最终完成。1956 年 12 月 26 日在爱德华兹空军基地，康维尔公司试飞员理查德•约翰逊（Richard Johnson）驾机进行了首次飞行，他也是 F-102 处女航的飞行员。这次飞行由于一个小故障未能完成，造成试飞不得不流产的是涡轮引擎的周期性振动，还有气动减速板开启后无法关闭。因此，在首次试飞中没有达到超音速。紧接着第二架（56-0452 号）于 1957 年 2 月 26 日上天。它们安装的都是 YJ75-P-1 引擎。前两架飞机都没有装备 MA-1 系统，在机鼻中安装了配重补充缺失的重量。
F-106 的测试和发展工作被划分为六个阶段。阶段 1 由承包商负责，阶段 2 由空军负责。阶段 2 测试在 1957 年 5、6 月间进行。前 12 架下线的飞机专供在加利福尼亚州爱德华兹空军基地的测试。它们与原型机不同，安装的是 J75-P-9 引擎。早期测试达到了 M1.9 和 57,000 英尺（17,374 米），但这仍大大低于预期。另外，F-106A 的加速性明显低于康维尔的估计，从 M1 加速到 M1.7 耗时 270 秒，从 M1.7 加速到 M1.8 还要 150 秒。如此糟糕的加速性使人感觉 M1.7 以上的速度是毫无战术实用价值的。