F-105D 结构图
接受空中加油的 F-105D-31，使用硬管加油系统
F-105D 采用升级了的 P&W J75-P-19W 发动机，具备喷水加力能力，最大推力达到了 118kN（12,000 kgp / 26,500 lbf）。进气口也做了改进，以增大进气量。而机身、起落架以及刹车均得到了加强。F-105D 还在腹鳍后增加了着陆钩。
F-105D 的武器装备与 F-105B 相同，只是最大外挂载弹量达到了 5.45t（12,000 lb），而且可以使用“响尾蛇”空对空导弹与“小猎犬”空对地导弹。
最初 3 架 F-105D-1 的第一架于 1959 年 6 月 9 日首飞，并与 1961 年初交付 TAC。但是直到 1961 年晚些时候，由于没能通过机身的疲劳测试，所有的 F-105D 都只能趴在地面。当然这个问题很快就解决了。
80 架最初的 F-105D 完成后，超过 353 架的 F-105D 是属于 F-105D-25，她们做了一系列细微的改进。在 1962 年到 1964 年间，最早的一批 F-105D 都通过 Look-Alike 计划升级到了 F-105D-25 的标准。另外，有 39 架升级了电子设备的 F-105D-30，以及 135 架具备插头-锥管/硬管式双重空中加油设备的 F-105D-31，她们在机头增加了一个硬管式空中加油用的接口。截止到 1964 年停产，共生产了 610 架 F-105D。
虽然 USAF 在 1959 年拒绝了第二种双座的 F-105 的建议，她是具备战斗能力的 F-105D 衍生型，代号是 F-105E，而且当时有一部分 F-105E 已经开始装配了，最后都改装为标准的 F-105D 进入服役。但是当“雷公”进入 USAF 服役后，他们就发现非常需要有一种双座的 F-105 进行改装训练。USAF 却订购了另外一种双座的型号：F-105F 。她于 1963 年 7 月 11 日 ，由共和公司的试飞员 Carl Arderey 进行了首飞，而在年底这种型号就进入了 USAF 服役。
F-105E 想象图，气泡状的座舱盖比 F 型看起来更现代化
F-105F 的特征是具备串联的蛤壳式座舱盖，与之相反的，在早期的双座型设计中，采用了单一的座舱盖；F-105 装备了双份的飞行操作系统，与 F-105D-31 相同的双重空中加油装置，加长的尾部，机身为容纳第二个座舱而加长了 79cm（31 in）。F -105F 具备全部的作战能力，保留了火神航炮，可以投放核弹。给双座型保留战斗能力后来证明是非常有远见的。
F-105F 的英姿（S/N 62-4414，第三架 F-105F）
F-105F 的座舱特写
生产了 143 架以后，F-105F 的生产于 1965 年 1 月结束了，整个 F-105 的生产也结束了。因为这个时候 USAF 已经把注意的精力集中与 鬼怪Ⅱ的攻击能力上了。所有的 F-105 都进入了 USAF 服役，没有美国其它的单位使用过她，她也从来没有出口过。
共和 F-105“雷公” 北京阿新
越南上空的雷公
当雷公的生产接近结束的时候，美国在东南亚的战争升级了。1964 年 8 月，第 36 战术战斗机中队从日本部署到了泰国的 Korat 空军基地。这些 F-105 打算用于掩护空中救援活动，但实际上她们经常用于支持 CIA 在老挝活动的空中打击活动。1964 年 8 月 14 日，格拉本中尉的飞机被高射炮击伤，虽然他操纵飞机飞回了 Korat，但飞机报废了。这是战斗行动中损失的第一架“雷公”。
抵达东南亚 6 个月后，第 36 战术战斗机中队重新部署到泰国的 Takhli，位于 Korat 西北大约 160km。而第 35 战术战斗机中队则进驻了 Korat。随着更多的“雷公”单位到达了泰国，最后组成了在 Korat 的 6234 战术战斗机联队与在 Takhli 的 6235 战术战斗机联队。在战争早期，一些 F-105 中队曾经部署在南越的 Da Nang 空军基地很短一段时间，随后重新部署在了泰国。
第 4 战术战斗机联队在泰国 Takhli 基地
直到 1966 年，美国政府都拒绝空军在泰国以外使用 F-105 的要求，而实际上 F-105 非常的忙碌。1964 年 12 月上旬，她们是滚桶行动的主力。滚桶行动的目标只是支持老挝皇家军队与北越军队已经老挝游击队的作战。
这逐渐升温为一场更大规模的空中战役。1965 年 2 月 7 日，由于越共游击队攻击了南越的一个美军营地，林登约翰逊总统批准了打击北越的烈火行动。行动由美国海军、美国空军以及南越空军执行，2 月 8 日，F-105 开始了她们第一次对北越的空中突击。越共的回应是更多的对美国在南越的目标进行袭击，美国则是更多的轰炸。
事态逐渐升级成为一场长期对北越的空中打击行动——“滚雷”行动。在 1965 年 3 月 2 日，进行了第一波的攻击。“滚雷”行动很大程度上是美国时任国防部长马克纳马拉的主意，其目标是给北越一系列的有克制的打击，迫使其回到谈判桌边。3 月 2 日的行动表明没有多少可能是可以支持实现这个目标的，3 架 F-105 与 2 架护航的 被击落，4 名飞行员死亡，1 名被俘。北越似乎没有被空袭所左右，惨重的损失表明，他们对此是有所准备的。
滚雷行动中，F-105 成为 USAF 的主力打击战机，具有讽刺意味的是，作为常规轰炸力量的骨干，空军不想冒损失 的风险。而更加具有讽刺意味的时，B-52 被大量用于战术打击任务，特别是对胡志明小道的轰炸。F-105 则成了早期空中作战中的打击重锤。飞行员通常喜欢大而坚固、功能强大的战机，给了她“铅雪橇”、“超级猪”、“铁蝴蝶”等绰号，最出名的是“轰的一声”。最起码在战争刚开始的时候，由于糟糕的战绩，当她坠入丛林之中，为她赢得了这些恶名——不过共和的工程师们在加班加点的修正一些挥之不去的缺陷。缺乏备用液压系统的问题一直没有完全得到解决，不过很快“轰的一声”的绰号成了形容飞机坚固、耐用抗打击的形容词了。F-105D 可以在遍体鳞伤的情况下回到基地，1966 年，一架 F-105 曾经被高射炮打掉了 1.2m 的机翼仍旧艰难的返回了基地。