F-100B 最初是被作为 F-100A 的后继型号而研制的。通过最大限度地利用 J57 涡轮喷气发动机的推力，它的速度将快于 F-100A 昼间战斗机。
F-100B 项目始于 1953 年，这一年，北美航空工业公司（North American Aviation，NAA）在 F-100A 的基础上进行改进，设计出了 NA-212。1952 年 3 月 4 日，北美公司管理层要求其设计队伍对 F-100B 的工程技术指标进行评估。F-100B 将保留 F-100A 的后掠翼布局，但机翼的截面变薄，由原来 F-100A 的相对厚度（厚度/弦长）7% 减小到 5%。飞机将采用经过改进的 J57 发动机，安装可变截面进气道和收敛-发散式尾喷管。新型发动机的最大推力可以达到 16,000 磅。由于安装了双轮起落架，飞机可以从缺少准备的野战机场起飞执行任务。机身按面积率设计，长细比有所增加。机载燃油由机翼内部油箱携带，没有外挂点可供挂载外部副油箱。F-100B 的尺寸和重量预计与 F-100A 相当，但由于增强了动力，改善了气动外形，最大速度预计可以达到 1.80 马赫。飞机计划于 1955 年投产。
与此同时，北美公司开始研究将“超佩刀”改进为全天候截击机的可行性。这个项目被称为 F-100I（I代表“截击机”Interceptor）或者 F-100BI（这两个编号都不是美国空军的正式编号）。这种飞机的总体布局与 F-100B 相似，但重新设计了座舱，并且安装有机头雷达罩。为了安装雷达罩，对前机身进行了重新设计，采用了安装了机头下方的可变截面进气道。增加了挂载副油箱的翼下挂架。机翼前缘可以加热，以防止结冰。飞机将只配备火箭武器。F-100BI 与 F-100A 的关系有点类似于 F-86D 和 F-86A。1953 年 10 月 20 日，公司将这个项目编号为 NA-211，开始进行风洞实验，同时还制造了一个详细的座舱全比例模型，并开始制造整机的全比例模型。
F-100B 全尺寸模型，进气口的外形竟与 MiG-21 的 E-8 研究机十分类似
1953 年 11 月，北美公司又开始考虑将 NA-212 改造成一种战斗轰炸机。在翼下增加了六个外挂架，机翼结构、操纵系统和座舱也都做了相应的修改。飞机具有空中加油能力。风挡和座舱盖经过重新设计，改善了飞行员的视野。安装了可收放的尾撬。飞行控制系统进行了改进，增加了俯仰和偏航阻尼器。
F-100B 和 F-100BI 都未能引起空军方面的多大兴趣。结果，1954 年 1 月 15 日，根据北美公司总裁李•阿特伍德（Lee Atwood）的要求，该项目做了大幅度的裁减：批生产计划被放弃，项目的规模减小，只作为一项综合性工程研究继续进行。
4 月 16 日，北美决定在 F-100B 上也基本采用 F-100BI 截击机的总体布局。然而，同月晚些时候，北美公司得知空军对 NA-212 的战斗轰炸机方案表现出了兴趣，因此在 5 月 16 日下令终止 F-100B 项目的所有工作，将精力集中到战斗轰炸改型上来。不过，截击型的机头雷达罩和下颚进气布局都得到了保留。与此同时，北美公司的工程师们发现，利用内翼段吹气式襟翼来进行附面层控制，可以提高飞机的低速操纵品质，并使着陆速度降低约 30 英里/小时，于是在设计的早期阶段，这项技术就得到了应用。——在设计 F-100A 时，没有采用任何襟翼。为把 F-100B 改造成一架战斗轰炸机，还需要做其它一些改动，包括：载荷系数由 7.33 增加到 8.67；安装机动飞行自动驾驶仪；安装 AN/APW-11A 雷达信标、低空轰炸系统（Low-Altitude Bombing System，LABS），AN/ALF-2 箔条发射器，AN/APS-54 雷达告警系统，标航线盘和座舱计算机。此外，还设计了更大、更重的机轮和制动装置；挂架则具备了为外挂物进行电子点火的能力。
1954 年 6 月 11 日，美国空军签订了购买 35 架 F-100B 战斗轰炸机的合同。1954 年 7 月 8 日，空军通知北美公司，该项目的编号已经正式改为 F-107A，——空军认为这种飞机已经和原先的 F-100A 有了巨大的差别，因此应该获得一个全新的编号。1954 年 8 月 4 日，合同被削减到了仅订购 9 架服役试验用机（编号 YF-107A，空军序列号 55-5118/5126）。
1954 年末，空军公布了第 68 号总体性能指标（General Operational Requirement， GOR），要求研制一种战术战斗轰炸机和一种昼间/夜间制空战斗机。北美公司显然对此做出了回应，但不清楚 F-107A 是否就满足了 GOR-68 的要求。无论如何，F-107A 的研制工作一直在紧张地进行。此时，普拉特•惠特尼公司已经在 J57 的基础上研制出了推力更大的 J75 新型涡喷发动机，北美公司就马上决定把它作为 F-107A 的动力。
北美公司的工程师们对F-107A战斗轰炸机的垂直尾翼进行了重新设计，把它设计成单片整体式全动垂尾，——类似的设计也被用在北美 A3J“民团员”（Vigilante，后来编号改为 A-5）舰载战略轰炸机上。机翼采用一套复杂的扰流片-缝翼-导流片来进行横向操纵。机翼前缘与 F-100A 相似，安装有自适应缝翼，但后缘则完全由简单襟翼和开缝式襟翼组成。机翼没有副翼，横向操纵由机翼上下表面的一组扰流片完成。飞机安装由早期的线传操纵系统——“纵向操纵增强系统”（Augmented Longitudinal Control System，ALCS），它利用空气数据系统的输入信息来进行俯仰角速度的控制。主要进攻性武器将包括一枚核武器，以半埋方式挂载在机腹中心线挂架上。