弹舱后部的 M61A1 20 毫米航炮
新老座舱盖对比
1969 年 2 月 10 日，一架经过改装的 F-106A（58-0795）开始进行试飞。接着，另一架改装机也加入试飞。同时，与之匹配的瞄准具也在加紧开发。最后，只有那些装有改进型仪表的 F-106A 加装了航炮。不过由于航炮的液压马达限制，航炮射速只有 4,500 发/分，而达不到 F-4E 航炮 6,000 发/分的射速。
60 年代末，F-106 开始采用一种容量达 360 加仑的大型副油箱。由于可以在大多数速度条件下携带，通常也称之为“超音速副油箱”。它的容量比原来的 227 加仑大了近 50％，并具有空中投弃能力——尽管实际上很少这么做。之后，F-106 除了执行短程拦截任务外，大多数时候都挂上这种副油箱。此外，为了进一步提高 F-106 的航程，从 1967 年开始，现役 F-106 机群开始加装空中受油系统，采用美国空军典型的“硬杆”加油方式，受油口位于座舱后方的背脊上。
F-106 227 加仑（上）与 360 加仑副油箱对比
机背的空中加油口盖
1961 年 7 月 20 日，第 277 架、也是最后一架 F-106A 交付空军。加上双座教练型 F-106B，F-106 系列共生产 340 架。康维尔的生产线随后关闭。
当年年底，当时的国防部长罗伯特•R•麦克纳马拉提出重开 F-106 生产线，再生产 30 架 F-106，在 1961 财政年度的预算中甚至拨出了多达 80 架的采购费用。但此时防空司令部却不领情了。因为他们开始了解到一些关于海军 战斗机的信息，他们认为，这种双座重型战斗机也许比 F-106 更适合自己的需要。为此，空军专门针对 F-106 和 F4H-1 进行了一项对比试验，代号“高速”，以评估两种飞机执行相同任务的能力。试验中发现，和F- 106 相比，F4H-1 的 APQ-72 雷达具有更高的可靠性，更远的探测和锁定距离。但在近距格斗中，F-106 却占有优势，多次“击落”F4H-1。在这种情况下，两种飞机都没有得到防空司令部的首肯。结果到了 1961 年 12 月，空军宣布为战术空军司令部采购 F-110（F4H-1 的空军型号，1963 年海、空军编号统一后改称 F-4C），防空司令部则两头落空，F-106 或 F-110 都没到手。此后，在长达 11 年的时间里，F-106 始终是防空司令部的主力截击机。
到了 1972 年，麦•道公司的 F-15A 开始装备部队。性能良好的 F-15A 赢得防空司令部的喜爱，F-106 机群开始退出一线，其中部分被移交给空中国民警卫队。第一个装备 F-106 的是蒙大纳州空中国民警卫队的第 186 战斗截击机中队，第一架 F-106A 于 1972 年 4 月 3 日移交。尽管转入空中国民警卫队，但 F-106 仍担负部分防空司令部的值班任务。先后共有 6 个空中国民警卫队中队执行过此类任务。F-106 可谓“退而不休”。直到 1988 年 7 月 7 日，新泽西州空中国民警卫队第 119 中队最后一架 F-106 完成了它的最后一次战斗值班飞行，8 月正式退役——比空军的最后一架 F-106 退役仅仅晚了几个月。
在空军同意采购“鬼怪”之后，F-4 成为了三军通用战斗机。图为空军的 F-4C 和海军/陆战队的 F-4B
在长达 29 年的服役期间，F-106 创造了美国空军历史上单发战斗机万时率最低的纪录。不过，尽管如此，在 340 架 F-106 当中，共计 112 架（包括 17 架 F-106B）坠毁或毁于地面事故。
119 FIS 的 F-106 退役纪念章
1988 年编队飞行的 119FIS F-106
在 F-106 服役期间，两架 F-106B 被移交给 NASA，用作系统发展研究机，型号也改为 NF-106。
其中 F-106B 57-2516 号机于 1966 年飞抵路易斯研究中心，被赋予 NASA 机尾号 616。该机主要用于超音速运输机发动机进气道的研究，后来还在翼下加挂两台发动机进行相关试飞。1979 年 1 月，该机转交爱德华兹空军基地的德莱登飞行研究工厂，机尾号改为 816。后又转交兰利研究中心，用于评估雷击对飞机的影响。1981 年，一架 F-106A（59-0123）移交 NASA，作为 816 号机的备份机。1988 年，在先进技术战斗机计划（即著名的 ATF）中，816 号机装上兰利中心研制的前缘涡襟翼进行试飞。1991 年 5 月 17 日，816 号飞机完成它的历史使命，从兰利研究中心退役，后被陈列在汉普敦的弗吉尼亚航空航天中心。
F-106B 57-2516 616 进行超音速运输机发动机进气道的研究
