1954 年 8 月首架 F-101A（53-2418）如期交付，在圣路易斯完成了一些地面测试后，该机被运至爱德华兹空军基地（AFB）。1954 年 9 月 29 日麦克唐纳试飞员罗伯特·C·利特驾驶该机进行了首飞，在 10,668 米高度达到了 0.9M 的速度。不到一个月之后，F-101 的极速向前推进到 1.4M。
首架 F-101A（53-2418）在爱德华兹 AFB 的干湖床上
试飞中的 F-101A（53-2418）
此时 USAF 再一次对该机的需求做出了调整，他们认为 F-101A 的航程还不够大，无法全程对 SAC 的轰炸机进行护航。因此 SAC 不再相信 F-101A 计划的可行性，并失去对该机作为护航战斗机的任何兴趣。按说这将是 F-101A 计划的末日，该机会步 XF-88 的后尘。幸运的是战术空军司令部（TAC）看到了该机作为核战斗轰炸机的潜力并以武器系统 WS-105A 的项目接管了 F-101A（“WS”是五角大楼曾在很短时间内使用的飞机、坦克和军舰研制项目编号）。于是 F-101A 最终变成了一种混合飞机，既安装了对空用的 APS-54 雷达和 MA-7 火控系统，也安装了投掷核弹用的低空轰炸系统（LABS）。
LABS 投掷核弹时的越肩甩投战术
1954 年 10 月 28 日，USAF同意该机开始全速生产。1954 年末另三架 F-101A 下线，立即开始了 I 类试飞，1955 年 1 月开始 II 类试飞，此时出现了发动机压气机失速的问题。最终通过重新设计内部进气道布局并修改压气机设计解决了这个问题。
到 1956 年中期 USAF 对已经交付的 29 架 F-101A 进行持续试飞，发现了一些结构、发动机、空气动力学、和武器方面的一些问题。也许其中最大的问题是自动上仰，该问题在经过许多努力后并未彻底解决。领导“巫毒”联队的罗宾·奥兹准将报告 F-101A 在没有大幅度的机动下就会突然自行进入无预警上仰状态，甚至有时在巡航中也会发作。F-101A 挂载副油箱全襟翼起飞时的迎角非常接近失速迎角，雪上加霜的是此时流经机翼上表面的气流对平尾下洗作用，还进一步加大抬头力矩。1956 年 1 月 10 日罗尼·R·摩尔少校——一个有着 10 架战绩的朝鲜战争英雄在佛罗里达州埃格林 AFB 因 F-101A 机头上仰失速坠毁而丧命。
F-101A 挂载两个副油箱全襟翼起飞时的迎角非常接近失速迎角
除标准的两个 1,703 升副油箱（上图）外，F-101A 还测试过单个 2,661 升副油箱
由于 F-101 的许多问题等待解决，1956 年 5 月 USAF 再次命令限制该机生产。在 1956 年余下的日子里 F-101A 的生产速度被限制在每月 8 架，但这次的限产令持续时间并不长。在此期间，麦克唐纳花在改进现有 F-101A 上的时间远远超过生产新的飞机，共进行了 300 项 USAF 提出的修改，外加 2,000 项公司修订的改进。
麦克唐纳在解决上仰问题上花费了很长时间，还转门设计了一个主动抑制器，部分解决了该痼疾。在对主动抑制器进行了满意地试飞之后，USAF 最终在 1956 年 11 月撤销了 5 月的限产令。不管怎样，自动上仰问题从未得到彻底解决，并困扰着“巫毒”的整个服役生涯。还有一个没有解决的问题是向前收起的前起落架在速度超过 145 千米/时的情况下无法收起。
F-101A 安装了 4 门 20 毫米机炮，另外可挂载一个 735 千克或者 1,484 千克的“特别挂载”——核弹。F-101A 装备了 MA-7 火控系统和 LABS，该机并不能投掷常规炸弹。
F-101A 可在机腹挂载一枚核弹，图中是 735 千克的 Mk 7 核弹
1957 年 5 月 2 日第一架“巫毒”交付了贝里斯特伦 AFB 的第 27 战略战斗机联队（SFW），该联队之前装备 F-84F“雷电”。11 月 21 日前麦克唐纳交付了后 77 架 F-101A，但其中只有 50 架装备了作战部队，余下的被用于各种实验和测试用途进行除虫，从未正式服役。
1957 年 7 月 1 日，第 27SFW 被移交给 TAC 成为第 27 战斗轰炸联队（FBW），F-101A 的任务是核打击，可在机腹中线挂载一枚核弹。
第 27 战斗轰炸联队的 F-101A 53-2425
1958 年 9 月 25 日，一架 F-101A 从德州卡斯韦 尔AFB 起飞到百慕大，全程 3,051 千米，创造了百系列战斗机中不着陆/不空中加油的最远飞行纪录。
在主动抑制器缓解了自动上仰问题之后，F-101A 创造了极佳的飞安纪录，实际上 F-101A 是 USAF 历史上所装备过战斗机中第一年事故率最低的机型。
1956~66 年 F-101A 开始从 USAF 撤装，其中 17 架被移交给空中国民警卫队（ANG）。到 70 年代中期，因事故、移交、拆解备件和改装使 USAF 的 F-101A 数量仅存数架。
第 9 架 F-101A（53-2426）被借给普惠作为 J57-P-55 发动机的测试机，该发动机为 F-101B 研制，推力更大。编号也被改为 JF-101A，“J”指用于测试用途的暂时性改装。新发动机的加力推力 7,666 千克力，排气管大大延长以容纳更长的加力燃烧室段。后机身下方增加了额外的加力燃烧室冷却进气口。阿德里安·E·德鲁驾驶 JF-101A 在 1957 年 12 月 12 日创造了新的世界绝对速度纪录——1,943 千米/时，打破了之前英国费尔雷 FD-2 创造的纪录。