按照康维尔公司和军方的安排，F-106A 是和 F-102A 并行进行生产的。当然，对各部分的改进和修改（包括对机载设备的改良），F-106A 是伴随着批量生产同步进行的。一般而言，新机对飞机机体或设备进行重大的修改都贯彻在前两次最早期的小批量生产之中，但对 F-106A 的改进却发生在批量生产的全期之中，这在喷气式战斗机的开发史上也是较少见的。
1959 年 6 月，正式进入作战势态的第一支 F-106A 作战部队、战术空军第 539 截击中队成立。到 1961 年 6 月 20 日最后一架交付结束，战术空军 38 个截击机飞行中队中，已经有一半换装了 F-106A，总产量 277 架（国内飞机手册一说为 257 架，下同）。
F-106A 先后配备于美国战术空军的第 5、11、27、48、71、94、95、318、329、456、498、539 截击战斗飞行中队。在漫长的冷战年代里，没有出口，更没有实际的战斗经历和战果。目前早已退役。
相关资料：
后期的 F-106A 换装了改良的 MA-1 火控系统、Weber 式超音速弹射救生座椅和纵列式布局新型主仪表板，公司及时将这些改动同样移植到最早的生产型上。对飞机的其他改进还包括改善了低空飞行品质、增加了电子对抗功能、加装了红外搜索和追踪器材和空中加油设备等等。
F-106A 的导航方式可谓是“丰富多彩”：利用雷达，能够实施所谓的“地文导航”。也可利用机载自动方向探测器（ADF）、全球“塔康系统”（TACAN）或“伏尔系统”（VOR）实现导航。当然更可以依靠地面发送的数据链进行自主导航。F-106A 的着陆依靠仪表着陆引导装置（ILS）……。因此美军曾自豪地说过，F-106A 可以在任何恶劣的天候下完成全自动拦截作战。而飞行员必须要做的事只是在起飞或着陆的末阶段“动动你的手和脑”，当然，这并不意味着其他飞行时间里你可以看报纸或打盹。
F-106A 的唯一改型是双座的战斗教练型 F-106B。空军于 1957 年 6 月向康维尔公司定货，其一号机首飞于 1958 年的 4 月 9 日。具体改动只是在原飞行员座舱的后面加装一个教员座舱，当然还需要增加一套复式操纵系统。这和并列双座的教练机 TF-102A 不同，TF-102A 实际上很难作为截击机来使用，而仍然搭载 MA-1 火控系统的 F-106B 则完全可以作为截击机来使用，而且纵列式座舱使前座飞行员在正式参加战斗时可以和单座的 F-106A 几乎一样方便地实施操作。虽然因为增加了后座使燃油容量减少并影响到飞机的续航性能，但其他飞行性能基本不变。F-106B 可以携带同样数量的导弹投入导弹攻击训练或正式参战。
进行仪表飞行训练的 F-106B
F-106B 战斗教练型共生产了 46 架（国内一说为 63 架），空军为每一个 F-106A 中队配备数架这种飞机。所以，F-106A 型加上 B 型的总产量为 323 架（国内一说为 320 架）。
1959 年 12 月 15 日，一架 F-106A 在爱德华空军基地的试验航段上将飞行时速提高到 2,455.736 千米，从而创造了新一轮世界速度纪录。次年，生产型中的一架 F-106A 又从爱德华基地起飞、在到达佛罗里达州的杰克逊大厦上空以后，再调头飞抵汀德尔基地。在不补充燃油的情况下，完成 3,860 千米全自动操纵长途飞行，用实例证实了该机优异的飞行操作与导航性能。
1987 年 9 月，美国航空航天局（NASA）兰利中心调用一架 F-106B，用于试验“涡襟翼”，以研究受控涡对未来先进技术战斗机的影响。有关试飞一直持续到 1988 年。
F-106 同样采用无尾三角翼气动布局，其机翼和 F-102 极其近似，但去除了翼刀。前缘后掠角 60 度 06 分，仍带有弯度并呈锥度扭转。翼根的弦长长达 9.07 米！所以机翼的展弦比仅为 2.198。相对厚度不到 4%，是一种非常适宜超音速飞行的“狭长薄三角翼”气动升力面。机翼的构造采用了 5 条锻造合金钢大梁和化学铣切整体蒙皮，这是当时一种高比强度的坚固的机翼设计，同时也为机翼整体油箱的应用提供了条件。在机翼的后缘，只有蜂窝构造的升降副翼，而没有通常概念的襟翼和调整片，这也是无尾三角翼气动布局高速飞机常用的气动布局。
F-106 的垂尾和 F-102 差别很大，前者已从 F-102 的纯三角形改为非对称的梯形，且前后缘均后掠，而且前缘的后掠角要更大一些。由于顶端作了切角处理，所以垂尾的高度反而减少了 0.3 米。与 F-102 一样，垂尾根部后端同样是一对可以打开的空气阻尼板，着陆减速伞还是收纳于此中。
母容置疑的是，F-106 的机身也是按面积律蜂腰形状进行设计的，而且收得更细一些。由于调整得当，机尾已经不再需要安排面积率整流罩（即一对鼓包），从而使得整机看上去更加“干净利落”和更加流线型。
战斗机的动力往往直接左右飞行性能的优劣。F-106 所采用的 J75-P-17 双转子涡喷发动机的推力超过 F-102 所使用的 J57 发动机 50%！它的额定推力为 7,800 千克，加力时为 11,100 千克。虽然在起飞加力状态下，其耗油率可以达到 2.2，但在巡航时，仅为 0.8，所以 J75 属于当时一种 “很经济”的喷气动力装置。
F-106A 的全部燃油容量只有 1440 加仑（合 5,450 公升），它们分布在左右机翼夹层内和腹部武器舱后方的机身油箱内。为了解决由此而导致的续航能力不足的问题，后允许在机翼下挂装 2 个各 230 加仑容量（合 870 公升）的流线型副油箱。但即便如此，当飞机作了超音速冲刺以后，每次出动的作战半径也仅达 500 海里（合 926 千米）。不过这对于本土分地域防空而言，应该问题不大。
F-106A 两侧空气进气口的形状和位置与 F-102 大不相同，前者的位置已经大大挪后，并接近翼根。而且从正面看双双呈八字形倾斜，使前机身的横端面变成了三角形。
作为 F-102 的直接后继改型、F-106A 同样沿用了特别适宜于超音速飞行的 V 形（尖楔形）前风挡造型，主座舱盖依然采用向后向上开启的方式。也许作战自动化程度极高，所以由前风档引起的前部视界“不良”就显得不再那么令人难以忍受了。飞行员座舱内采用循环式增压/温度调节空气控制系统。弹射座椅可以保证在超音速和低空状态下较高的逃生概率，但显然尚不具备当今的 0-0 弹射性能（即 0 高度 0 速度状态）。