不幸的是，风洞实验表明，由于机头雷达罩和下颚进气口造成的气流干扰，机载武器的发射与投放会遇到很大的问题。为解决这一问题，进气口被从机头挪到了机身背部、座舱后方。进气道内安装有一套复杂的可调式斜板系统，可以保证发动机在不同速度下都得到合适的气流。最早的两架原型机在试飞初期，进气道内安装有一套双位（3.25°和 12°）发动机进气系统（two-position engine inlet duct system）。该系统是在进气道中央安装一块垂直的楔形导流板，导流板两侧附有四块液压驱动的调节板，调节板可根据需要进行收放，以调节进气截面，保证发动机获得合适的气流。在第三架原型机上，这套系统实现了自动化，调节板也实现了无级调节。
将进气道“背”在背上的 YF-107A 原型机
主起落架安装在机身，而不是像 F-100 那样安装在机翼下，向前收入机身轮舱。双轮前起落架向前收入机身。机身尾段下方安装有可收放的尾撬，以防着陆时因飞行员疏忽导致迎角过高而损伤机身。YF-107A 将在机头安装一套北美公司自动控制分部研制的 XMA-12 综合火控系统。该系统可以同时发现多个空中目标，并选择其中一个，计算使用机炮或火箭攻击的追踪曲线。由于其独特的进气道布局，F-107A 的座舱盖只能直接向上开启，而不是通常采用的蛤壳式。 在紧急情况下，飞行员可以直接穿盖弹射逃生，而不必先抛座舱盖。
正在进行火箭滑轨弹射试验的 YF-107 座舱段
1957 年 1 月 1 日，YF-107A 的合同再次被修改，生产量减少到了仅 3 架飞机，外加一个静力试验机体。
第一架 YF-107A（序列号 55-5118）于 1956 年 9 月 10 日在爱德华兹空军基地进行了首次飞行，试飞员是北美公司的鲍勃•巴克尔（Bob Backer）。它在首次飞行中就超过了音速，但在着陆时，由于阻力伞未能打开，飞机冲出水泥跑道的尽头，掉进了一道沟渠，因而受到了一些轻微的损伤。不过它很快就被修复，三天之后又重返蓝天。55-5118 号机于 1956 年 11 月 3 日进行了首次速度为 2.0 马赫的飞行。
YF-107 座舱仪表板
55-5119 号机于 11 月 28 日首飞。它装备了四门 20 毫米机炮，承担了性能测试和综合火控系统试验的任务，它还负责检验机腹中心线挂架的投放品质。
55-5120 号机于 12 月 10 日首飞。这是第一架安装有全自动可调进气截面系统的 YF-107A。然而，可调截面进气道的表现却是差强人意。55-5120 号机曾多次进行亚音速或超音速的持续爬升，也曾在 35,000 英尺高度尝试以最大速度进行垂直爬升，但高度始终都没能超过 51,000 英尺。问题主要就出在可变截面进气道和 J75 发动机上，而两者在当时都还是相对较新的设计。此外在高速飞行时，由于进气道气流不稳定，可变截面进气道还会发出烦人的振动声。
飞行中的 55-5120
55-5118 号机负责探索飞机的垂直爬升性能。试飞员艾尔•怀特（Al White）驾机以 2.1 马赫的速度从 39,000 英尺高度开始爬升，达到的最大高度是 69,000 英尺。
55-5118 与伴飞的 F-100
55-5119 号机则承担了对武器投放系统进行评估的任务。它是三架 F-107 原型机中，唯一一架安装有四门 20 毫米 M39 机炮的飞机。风洞实验曾表明，在超音速情况下，从流线型的机腹中心线武器舱投放武器可能会遇到一些问题。不过在经历了最初的一些麻烦之后，1957 年 2 月 25 日在中国湖的海军试验靶场，试飞员艾尔•怀特在速度 1.87 马赫的情况下，成功地投下了武器。
注意半埋安装的武器舱
为了获得批生产合同，F-107A 不得不与共和 F-105“雷公”（Thunderchief）展开竞争。1957 年 3 月，美国空军决定选择 F-105，F-107 则被降格成只执行空气动力试验任务的飞机。为此，第一和第三架 YF-107A 被转交给了国家航空咨询委员会（National Advisory Committee For Aeronautics，NACA），进行高速飞行试验工作。
第一架 YF-107A（55-5118）于 1957 年 11 月 6 日到达 NACA 位于德来顿（Dryden）的飞行研究中心，其 NACA 编号为 207。由于它在机械上很不可靠，仅仅进行了四次飞行就被停飞。后来 NACA“废物利用”，从它身上拆取零配件，用来保证另一架 YF-107A 的飞行。
奇特的座舱开启方式
第三架 YF-107A（55-5120）于 1958 年 2 月 10 日到达德来顿。由于机械故障问题，可变截面进气道的试飞工作不得不缩短。最终，NACA 彻底放弃了在 YF-107A 的可变截面进气道上所做的工作，并用螺栓将其固定住；同时将最大速度限制在 1.2 马赫。这架飞机在高迎角时，也存在扰流抖振问题。1958-1959 年，55-5120 号机在 NACA/NASA（National Aeronautics and Space Administration，国家航空航天局）共进行了大约 40 架次的试飞。在 YF-107A 试飞的基础上，北美公司改进了计划用在 X-15 上的侧位操纵杆。1959 年 9 月 1 日，试飞员斯科特•克罗斯菲尔德（Scott Crossfield）在驾驶 55-5120 号机起飞时，因为操纵系统故障，被迫放弃起飞，结果导致两个机轮爆裂，左侧制动系统起火。克罗斯菲尔德安然无恙，但 YF-107A 却受到了严重的损伤。由于修复该机在经济上已经不划算，NASA 决定将其拆解。在被分割开之后，机身被运到了得克萨斯州谢帕德空军基地（Sheppard AFB），用作消防训练设备。
另外两架 YF-107A 得以保存至今。55-5118 号机在从 NASA 退役之后，被交给了位于亚利桑那州图森（Tucson）的皮马航空博物馆（Pima Air Museum），现在它还在该馆展出。55-5119 号 YF-107A 现在俄亥俄州莱特-帕特森空军基地（Wright-Patterson AFB）的空军博物馆。