1967 年春，在“战斗标靶 I”项目下开始了对 F-111A 的一系列试飞，肯定了该机雷达优越的轰炸精度。
1967 年 7 月 17 日开始交付架生产型 F-111A。F-111A 的电子设备包被称为 Mk.I 型航电系统，包括利顿 AJQ-20 惯导和攻击系统，通用电气 AN/APQ-112 攻击雷达，霍尼韦尔 APN-167 脉冲雷达高度表，德州仪器 AN/APQ-110 地形跟踪雷达，柯林斯 ARC-1 UHF 和 ARC-112 HF 无线电。
1967 年 7 月 18 日首批 F-111A 开始交付新墨西哥州加农空军基地（AFB）的第 474 战术战斗机联队（TFW）第 428、492 和 430 战术战斗机中队（TFS）。1968 年初该联队转移至内利斯 AFB。
基于 1967 年春“战斗标靶 I”试飞的结果，美国空军决定在东南亚小规模部署 F-111A，项目代号“战斗枪骑兵”。1967 年 6 月该项目紧接着旨在查明 F-111A 的缺点并做好作战准备的“收割机”项目展开。“收割机”项目的改进经过实战的验证后都将引入 F-111A 的生产线。
6 架第 428TFS 的 F-111A 被分配给“战斗枪骑兵”项目，1968 年 3 月 15 日离开内利斯 AFB 前往泰国。到 3 月末，这些飞机已经执行了 55 架次对北越目标的夜间轰炸任务，损失两架。66-0022 在 3 月 28 日，66-0017 在 3 月 30 日损失。美国空军随即从内利斯又抽掉了补充机，但随着 4 月 22 日第三架 F-111A（66-0024）的损失，F-111A 的作战行动被暂停。在 11 月 F-111A 返回美国前已很少参战了。事后调查发现 3 架 F-111A 并不是被敌人击落的，而是因机翼和尾部结构缺陷而坠毁，其中一架“战斗枪骑兵”飞机是由于尾部伺服动作器故障而坠毁。美国空军后来发现（经过被释放的战俘确认）这架飞机的尾翼在飞行中突然偏转导致不可控的上仰和滚转，最终使飞机在空中解体。在越南的另外两起坠毁被追踪到M61A1机炮安装不良和飞行员失误。
F-111A 的损失在美国国内引起剧烈争议，威廉·蒲克斯米尔参议员声讨 F-111A 是种不安全的有缺陷飞机。该机随后以“麦克纳马拉的飞行埃兹尔”而闻名，并被指控为是一个潜在的“共军技术金矿”。
Armstrong
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但空军和通用动力继续埋头苦干来解决 F-111A 存在的问题。第 474TFW 第 428TFS 在 1968 年春达到初始作战能力。“收割机”项目的改进不断在“战斗枪骑兵”作战中得到了验证，“收割机”项目持续时间比预期的要长，联队在 1971 年 7 月才形成完全作战能力。
双方还对 F-111 的试飞和训练事故（包括 1968 年的两机坠毁）做进行了详细的记录和调查。1969 年 8 月 27 日在一次地面疲劳测试中检查出了机翼承力翼盒裂纹，结果追踪到翼盒制造商——赛布尔制造公司，该公司通过贿赂检查员使用了未经授权的焊接工艺。此时由于大多数 F-111A 已经离开生产线，需要进行广泛的改造。
最后一批 F-111A 在1969 年 8 月交付。F-111A 总数量 158 架，其中包括 1962 年 12 月订购的 18 架 RDT&E F-111A 中的 17 架，第 18 架 RDT&E F-111A 被作为 FB-111A 轰炸机项目的试飞原型机。
1969 年 12 月 22 日，美国空军损失了第 15 架 F-111A，原因是锻造机翼枢轴装配不良，隔天所有 F-111A 被停飞直到 1970 年 7 月 31 日。这起事故使人们对 F-111A 的结构完整性和混乱的改进项目产生了质疑，随后每架 F-111A 都经过仔细的检查和必要的修补。
在经历了再一次坠毁和再一次停飞后不久 F-111A 再次参加实战。1972 年 9 月 F-111A 重返东南亚，两支 F-111A 中队（第 429 和 430TFS）离开内利斯前往泰国。他们参加了对北越的“后卫 II”空中攻势，在雨季轰炸了北越和老挝的目标，无需电子对抗护航机和 KC-135 加油机的伴随。1972 年 11 月 8 日一天 F-111A 在北越上空就进行了 20 架次攻击行动，当时天气状况糟糕，其他飞机无法起飞。人们发现 4 架 F-111A 的载弹量相当于 20 架 F-4。
重返东南亚后不久，一架 F-111A 因在大雨中双发失去动力而坠毁。F-111A 的地形跟踪雷达和攻击雷达一直问题不断，惯导系统和武器投放系统的故障也是家常便饭。不管怎样第 429 和 430TFS 执行了 4,000 架次任务，在能见度接近零的情况下投弹命中率也相当高，他们在作战中损失 6 架飞机。
1977 年幸存的 F-111A 被移交给爱达荷州芒廷霍姆基地的第 366TFW 的第 389 和 391TFS。
42 架 F-111A 被改装为 EF-111A 电子战飞机。
1982 年 4 架 F-111A 被移交给澳大利亚皇家空军，以补充其 F-111C 机队的损失。
1967 年~1971 年间，两架预生产型 F-111A（63-9771 和 63-9777）被 NASA 代顿飞行研究中心用于实验。还有一架 F-111A（63-9778）被 NASA 作为跨音速飞机技术演示机，换装了降低展弦比的短翼展超临界机翼和钝翼尖，1974 年 11 月 1 日改装完毕的该机在爱德华兹空军基地首飞。在 80 年代中期，该机在机翼上安装了层流翼段进行了试飞，随后被改装成先进战斗机技术集成实验（AFTI）的波音变弯度“任务自适应”机翼。F-111/AFTI 继续试飞直到 1989 年初，然后退役进入俄亥俄州莱特·帕特森空军基地的美国空军博物馆。
