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。
新泽西国警队的 F-106A
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）。
F-106B 弹射试验
一个有趣的地方是，F-106A 在许多地方不遗余力地设置了加热除冰装置，比如在主翼和尾翼的前缘、进气口的前缘、风档玻璃外部、甚至机头雷达罩等部位。这也许和需要在高寒的北美地区使用是分不开的。另外一个有趣的东西是，在机尾的下面，竟然安装着只有舰载飞机才具备的减速钩，当然，它显然不是为“上舰”而配备的。
截击机终极者
人们比较关心的机载军械系统和它的老大哥一样，依然纯粹是导弹和火箭。所不同的是 F-106A 可以在腹舱内携带一枚威力巨大的直径达 0.43 米的核战斗部无制导火箭弹，它可以是 AIR-2A“妖怪”、也可以是 AIR-2B“超级妖怪”（型号中的 R 代表火箭弹，而导弹一般用 M 来表示，但许多文章将它叫作空对空导弹，显然是不正确的）。这是美国空军唯一一种带核弹头的大口径空对空火箭弹，射程 11 千米、最大马赫数 3。AIR-2 研制于 1954 年、1957 年服役、1962 年停产。虽然作为一种无控火箭弹的 AIR-2 无法自动跟踪目标，但 1,500 千克 TNT 当量的爆炸威力足以撩倒几百米外的敌机。当然，核火箭在有限空域内万一真正投入使用后所带来的种种弊端是显而易见的，所以实际上从未应用过。除此之外，F-106A 的军械也可以改为同时携带 4 枚 AIM-4E“猎鹰”半主动雷达制导空对空导弹或 4 枚 AIM-4F“超猎鹰”红外制导空对空导弹。这些导弹不仅可以追尾攻击，也能够实施迎头攻击（当然必须是带一定偏角的）！由于导弹和火箭都是从飞机肚子里发射出去的，所以发射时必须利用压缩空气进行助推。当发射核弹头火箭时，通过程序还可以令飞机自动作“飞远”规避动作，以免受到核爆炸的种种不良影响。
“妖怪”火箭
无论 F-102A 还是 F-106A，它们都受到当时“导弹万能论”的影响，都属于那个时代纯粹的“导弹载机”（类似的飞机型号还可以报出不少）。但随着越南战争的深入，人们开始重新认识到空战近距格斗和航炮攻击的重要性，所以又逐渐恢复了射击武器在战斗机上的配备。后期的部分 F-106A 就加装了一门高效率的 20 毫米 M61六管“火神”机关炮，用于贴近目标时的补充攻击。