除了 F-106B 之外，“三角标枪”家族还有几个鲜为人知的型号。
1956 年，康维尔开始研制 F-106A 的后继型，初称 F-106X，公司型号 8-28/8-29 型。该机最显著的特点是采用鸭式布局，并采用矩形进气口，发动机为 JT4B-22，造型颇为前卫。雷达天线直径达到 40 英寸，具有下视下射能力。该机原设计用于和洛克希德的 YF-12 竞争，其速度指标高达 M5！看来没能吸取当初共和 XF-103 败给 F-102 的教训，脑袋又开始发热了。 后来 F-106X 分拆成两个型号，即单座型 F-106C 和双座型 F-106D。空军曾经表示过需要 350 架这种先进截击机，但计划很快于1958 年 9 月 23 日取消。之后，康维尔改装了两架 F-106A（57-239 和 57-240），机头延长 5 英尺，用于新型雷达试验。这两架飞机被重新命名为 F-106C。其中 57-239 在 1959 年进行了 10 次试飞，但最终坠毁。57-240 实际上没有进行试飞，最后又改回 F-106A 的构型。
F-106X 方案
F-106C/D 模型
更换了大直径雷达天线
1968 年 2 月 9 日，国防部宣布洛克希德 F-12A 项目下马，仍将继续采购 F-106 作为战略防空主力截击机。为此，康维尔于 9 月 3 日提交一份改进型 F-106 的方案，即 F-106E/F。它装备有双通道超高频通讯系统和数据链系统，可以和即将装备的机载预警控制系统和超地平线防空雷达网兼容。其加长的机头内装备一台改进型雷达，具有下视下射能力，可以控制发射所有的具有常规/非常规战斗部的导弹，包括 AIM-26“核猎鹰”和 AIM-47“超猎鹰”。但不幸的是，空军对此毫无兴趣，F-106E/F 尚在图纸阶段就已经夭折。
康维尔还设想过一种三发 F-106
中期改进
随着 F-106 大量服役，空军开始针对不断出现的问题进行一系列改进——其中相当部分是针对 MA-1 火控系统的。到 60 年代初，空军一共对 MA-1 进行了 63 次改进，此外还有 67 处针对飞机本身的改进。由于采用“库克•克莱治”方法，使得 F-106 的生产批次极多，后勤保障能力严重恶化。对使用 F-106 的部队而言，这简直是场恶梦。当年纳粹德国空军就曾在这个问题上大吃苦头，没想到 20 年后美国空军又重蹈覆辙。
1960 年 9 月，为了缓解生产批次过多导致的严重问题，空军开始进行标准化工程，项目代号“野鹅”，目的是将早期生产的 F-106 全部升级到最后期型标准，正在生产的 F-106 也参照此标准，不再改动设计。持续 1 年后，这项庞大的工程终于完成。1960 年底，空军开始实施“跳高”工程，对 F-106A 机群实施全面升级改进。该项目在萨克拉曼多的航空工业区进行，并一直持续到 1963 年初。在改进项目中，包括引入前视红外搜索跟踪系统。该系统安装在座舱前的可收放支架上，可以在低空以及杂波背景下使用。
机鼻上方安装的前视红外搜索跟踪系统
1961 年连续两次燃油系统故障导致 F-106 坠毁，迫使空军于 9 月 26 日下令训练单位的 F-106 全部停飞。事故原因很快查明，早期 F-106 的燃油系统设计有缺陷，在燃料不足时会突然跳火花，从而导致事故。为此，空军在 1961～1962 年间进行了代号“标枪板”的改进工程，主要是加装火花抑制保护罩，以解决燃油系统的问题。
1962 年，F-106A 开始安装着陆拦阻钩，以便在紧急情况下阻止飞机冲出跑道。这使得 F-106A 成为美国空军第一种采用此类装备的战术飞机。
1965 年，F-106 换装新型塔康系统，由于采用集成电路技术，新系统的尺寸和重量都比原来的系统减小了大约 2/3。
在所有的改进当中，最重要的应该算弹射系统的改进。
康维尔 B 型弹射座椅
早期 F-106 使用的弹射座椅是正在 F-102 上使用的韦伯公司研制的型号。这是一种敞开式弹射座椅，对飞行员没有任何保护措施。康维尔的设计人员认为，这种座椅显然不适合在超音速状态下弹射救生，为此决定采用康维尔自己的 B 型弹射座椅。这种座椅是专门为超音速弹射救生而设计的，先后进行了 15 次滑轨弹射试验和 11 次飞行弹射试验。1961 年 6 月 6 日甚至在一架 F-106B 上进行了真人弹射试验，坐在后舱的盖姆斯•哈维尔成功弹射出舱。
康维尔 B 型弹射座椅的真人弹射试验
但问题是，B 型弹射椅的弹射程序相当复杂：飞行员首先要拉下 D 形环，以便抛掉舱盖，收回并锁紧肩带，收回飞行员双脚，并升起防护板；在这些动作完成后，飞行员还要再拉一次 D 形环，断开座椅作动机构，然后启动垂直推进器将座椅推出座舱，接下来偏移推进器点火，使座椅水平移动一段距离以避开后面高耸的垂尾；在这之后，气压作动稳定杆自动展开，附件螺栓射出，主推进火箭点火，将座椅完全推离飞机。头晕了吧？那些 F-106 的飞行员也一样。多次弹射失败都是由于飞行员把顺序搞错造成的。
由于弹射程序过于复杂以及机构可靠性不高，空军于 1965 年与韦伯公司签订合同，要求研制一种“零－零”弹射座椅。这是由于空军根据统计数据发现，高空超音速弹射相当罕见，更常见的是在低空低速状态下弹射。45 天后，韦伯公司就交付了第一个弹射座椅供空军评估。事实上这种弹射座椅性能相当不错，空军很快将 F-106 机群的弹射座椅全部更换为这种型号，大大改善了飞行员紧急情况下的逃生能力。
最终的韦伯“零－零”弹射座椅
由于 F-106 机动性相当不错，不少人认为它经过改进有可能成为一种优秀的格斗战斗机。甚至有人建议将 F-106 派往越南执行制空任务。有人开始计划给 F-106 换上空优涂装，并加装内置航炮。尽管空军从未打算将 F-106 派往越南，但加装航炮的建议却被采纳了。不过，加装航炮的目的不是为了与敌方战斗机进行格斗，而是为了给 F-106 提供一种近距离攻击轰炸机的武器。
针对加装航炮的计划，康维尔公司表现出很高的热情，很快提出了一揽子方案，包括给 F-106 加装内置航炮，增加航炮瞄准具并换装视界良好的座舱盖——即“精明射手”工程。按照这个方案，备弹 650 发的 M61A1 20 毫米航炮被安装到武器舱后半部分，即原来“阻尼”火箭弹的位置，但原来 4 枚“超猎鹰”系列导弹仍然保留。由于航炮身管部分伸出舱外，为了避免高速气流直接吹袭航炮内部机构，整个航炮系统被做成一个全封装部件，以提供一定的保护。这样 F-106 腹部多了一个明显的鼓包，这是航炮型 F-106 和其它型别的重要识别特征之一。另一个特征就是新型的“高度清晰”座舱盖，它取消了飞行员脑袋上的金属框架，显著改善了视界。