方方
1956 年 5 月 1 日，加利福尼亚州乔治空军基地，防空司令部所属第 327 战斗截击机中队开始接收第一批 F-102A，以替换已经过时的 F-86D。同时该中队还接收了道格拉斯公司研制的 MB-1“妖怪”火箭弹。空军计划用这种具有核战斗部的火箭弹装备 F-102A（但这项计划最终于 1957 年取消）。当年 8 月 18 日，327 中队开始具备初始作战能力。 有意思的是，直至此时，F-102 尚未获得它自己的绰号，这不大符合美国空军的传统习惯。到了 1957 年，F-102 才获得一个响亮的绰号——“三角剑”，其含义不言而喻。
1956 年，327FIS 接收的崭新 F-102A 54-1381
MB-1“妖怪”核火箭后改名为 AIR-2A
“妖怪”核火箭爆炸后的蘑菇云
从 1952 年至 1957 年，空军先后向康维尔下达 5 份订单，共订购 F-102A 875 架。这期间，F-102A 进行了一系列改进，包括改进火控系统，增加发射最新型“猎鹰”导弹（GAR-11，后改称 AIM-26）的能力。1957 年 10 月，康维尔开始生产 BLOCK 102 批次的 F-102A。该机实用升限提到到 16,764 米，最大速度、机动性和高速安定性都有改善。同时，康维尔开始对早期生产的 F-102A 进行现代化改进，主要是将其统一到后期型标准，包括：加长机尾，将原来的 MG-3 火控系统以 MG-10 取代（最终大部分 F-102A 都装备 MG-10 系统），增加翼下挂点以携带副油箱和火箭弹。不过，当 F-102A 携带外挂时，其最大速度将无法超过音速，这将在一定程度上限制 F-102A 的使用。
AIM-26 核空空导弹
时间进入 1958 年，F-102A 装备达到最高峰，共计 25 个防空司令部所属的战斗截击机部队先后用该机换装了 F-86D（至 F-102A 退役为止，先后共有 32 个中队装备过该机）。同年 9 月，最后一架 F-102A 交付使用。此后 F-102A 再度进行现代化改装，其中包括增加发射的能力。
各型号 AIM-4 导弹
作为战略防空截击机，F-102A 主要装备美国本土中队，但也有少量部署到海外基地。首先进行海外部署的就是第一个装备该机的第 327 中队，该中队于1958年6月被调往格陵兰岛驻守。1959 年，第 525 中队被调往英国皇家空军拜特博格空军基地，成为第一个派驻欧洲的 F-102A 战斗机单位。此后，还有 5 个中队相继部署到欧洲盟国，包括德国、西班牙和荷兰。在太平洋地区，也驻扎过少量 F-102A。其中第一支部队就是第 16 中队。该中队于 1959 年 3 月调往日本那霸空军基地。1962 年 3 月，第 570 中队进驻南越西贡附近基地，担负防空截击任务。还有部分该型机部队部署到泰国境内。至 1969 年12月，装备 F-102A 的部队全部撤出东南亚。在接近 8 年的时间中，共 15 架 F-102A 在防空任务或为战略空军的 B-52 护航时损失。在战斗中，F-102A 的表现并不突出。它的“猎鹰”导弹故障率奇高，在实战中无一命中，使得 F-102A 飞行员只能在昼间以火箭弹实施攻击。同时三角翼飞机巡航阻力大，航程短的缺点也十分突出，F-102A 在典型战场上空只能逗留 2 分 30 秒，严重制约其作用的发挥。
越南，在军械区整备中的 509FIS 中队的 F-102，弹仓中挂载的是雷达制导的 AIM-4A（前）和红外制导的 AIM-4C/D（后）
从 60 年代开始，F-102A 开始逐渐被性能更先进的道格拉斯 F-101B“巫毒”（一译“魔术师”）和 F-106“三角标枪”所取代。仅 1961 年一年，防空司令部所属的 F-102A 数量就急剧跌落至 221 架。到 60 年代末，大部分 F-102A 从空军退役。只有部署在海外（德国和荷兰）的少数 F-102A 尚在服役。1971 年，驻欧部队开始用道格拉斯的 F-4“鬼怪 II”取代尚在服役的 F-102A。1973 年 6 月，防空司令部所属的第 57 中队换装 F-4C，该中队装备的最后一批 F-102A（不超过 10 架）全部退役。
第 57 中队是美国空军的最后一支 F-102A 中队
从空军退役后，部分 F-102A 开始转入空中国民警卫队服役。60 年代中，德克萨斯州空中国民警卫队第 182 中队第一个换装了从空军退役的 F-102A。到 1966 年，空中国民警卫队共接收了 339 架 F-102A。1967 年，曾提出过将空中国民警卫队装备的 F-102A 改装为 RF-102A 侦察型的计划（取消机头雷达，改装航空侦察相机，康维尔甚至已经专门改装了一架 F-102A），但空军对此毫无兴趣，加上 RF-101C 很快装备部队，该计划也就不了了之。直到 70 年代初，空中国民警卫队一直都在接收空军退役的 F-102A。但随着更先进的 F-4“鬼怪 II”服役，F-102A 也很快从空中国民警卫队退役。1976 年 10 月，随着最后一支装备“三角剑”的部队——驻夏威夷的空中国民警卫队第 199 中队换装 F-4C，F-102A 全面退出空中国民警卫队。
除了战斗部队，NASA（国家航空航天局）和 FAA（联邦航空局）也曾装备过 F-102A.。该机在 NASA 主要担负伴随护航观测、失重环境模拟训练任务，不过很快被 F-106A 和 T-38 取代。至于 FAA，则是用仅有的一架 F-102A（注册号 N-300，序列号 57-0835）来研究超音速运输机（SST）。随着 SST 计划很快下马，这架 F-102A 在 FAA 的使命也宣告结束。
退役后的 NASA F-102A
FAA 的 F-102A
按理说 F-102 这种战略防空截击机是不应该出口的——即使已经陈旧过时。苏联的苏-15 就从未向国外出口过。出口的国家也很有意思，是属于北约南翼的希腊和土耳其。看来是为了巩固围堵苏联的南欧防线，才用这种高档装备拉拢和安抚这两个小兄弟。偏偏这两家又是冤家对头，在 1974 年塞浦路斯争端中大打出手，上演了美制战机同室操戈的好戏。