1949 年 3 月 28 日，北美航空开始了 F-86 全天候截击型的工程设计，公司型号 NA-164。USAF 立即对此产生了兴趣，1949 年 4 月 7 日北美感觉前景良好，自信地开始了生产型的发展工作，也即是 NA-165。
那时的全天候喷气式截击机都是双座型，NA-164/165 是第一种单座的全天候截击机。高度自动化的雷达引导截击系统将能提供全天候操作能力，带加力的喷气发动机可以提供额外推力，在较短时间内达到高空高速，这也是截击机的一个基本要求。单座也降低了对现有佩刀机身的改动难度，但必须采用复杂的电子系统来弥补机组乘员的不足，其中包括最初的机载计算机。
NA-164/165 选用了带加力的通用电气 J47-GE-17 涡轮喷气发动机，发动机配备了电子控制的燃料分配系统，以减轻飞行员监视发动机工况的工作量。该系统作用是，飞行员推动油门杆时，由电子燃料供应器根据整个发动机和加力燃烧室的工况来决定向发动机提供多少燃料，以达到发动机工作效率的最优化。在当时此发动机被誉为“具有大脑的发动机”。
机鼻内安装 AN/APG-36 搜索雷达，为了给雷达让出空间，原先的机头进气口下移，气变为下颌式进气，电介质天线罩直径 76.2 厘米，容纳了搜索雷达的 45.72 厘米天线。
生产线上的 F-86D，下颌式进气口腾出的空间可以安装大直径雷达天线，座舱盖改为绞接式
NA-164/165 要携带的攻击武器是集束发射的 24 枚 2.75 寸“巨鼠”折叠弹翼航空火箭（FFAR），而不是传统的航炮。火箭全部容纳在机腹一个可收放发射架中。FFAR 由北美和海军联合发展，以二战德国的 R4 火箭为基础。全部使用火箭为武器在当时是很冒险的，所以有一个更传统的 20 毫米航炮方案作为备用。
“巨鼠”MK4 火箭弹，尾部弹翼可折叠
F-86A 向后滑动的座舱盖在 NA-164/165 上改为向后打开的铰接式座舱盖。铰接式座舱盖在紧急弹射时较安全和容易。飞机还配备了全动平尾，所有控制机构都为液压驱动。
1950 年 2 月，航空火箭被选为标准武器，关于 20 毫米航炮的所有研发计划都中止。
1949 年 7 月 19 日，空军部长正式表示支持“佩刀”截击机计划。1949 年 10 月 7 日空军与北美签订了两架 NA-164 和 122 架 NA-165 的合同。因为 NA-164/165 和最初的 F-86A 之间只有 25% 的相同之处，实质上是一种全新的飞机，USAF 决定给新截击机一个新的型号——F-95。稍早前苏联宣布首枚原子弹试爆成功给 F-95 项目带来更大的压力，1950 年 6 月 2 日空军又增订了 31 架，这样 F-95 的定购总数达到了 153 架。
休斯飞机公司负责电子火控系统的研发。1949 年 11 月 18 日休斯公司提议，该系统要能计算出火箭攻击的前置碰撞航线，而不使用传统的尾随曲线攻击方法。休斯为此发展出 E-4 系统，但功率 250 千瓦的 E-4 系统在进度上延误，所以首批 37 架生产型 F-95 将安装性能较低的 50 千瓦的 E-3 系统。
首架 NA-164 于 1949 年 9 月在北美工厂下线。当时这架飞机的型号是 YF-95A，并且在机鼻标出。有趣的是两架 YF-95A 原型机的序列号排在了生产型之后（YF-95A 的序列号 50-577/578，F-95 生产型的序列号从 50-455 开始）。
第一架 YF-95A 50-577，仍采用滑动座舱盖
当时火箭和火控系统都没有准备好，为了不耽误两架原型机试飞，两家飞机交付时没有安装上述系统。YF-95A 还安装了 F-86A 的操控系统，并保留了 F-86A 的 V 形风挡和滑动式座舱盖，发动机是 J47-GE-17 的一种早期型号，最大推力限制在 2,268 千克，加力推力 3,016 千克。
50-577 在 1949 年 11 月 28 日运抵木洛克，12 月 27 日首飞，试飞员韦尔奇。在 1950 年间，北美公司的飞行员进行了约 74 架次飞行来评估发动机电子控制系统和加力燃烧室的功能。
1950 年 5 月 26 日北美航空收到了休斯 E-3 火控系统，安装在了第二架 YF-95A（50-578）上并在九月开始测试。1950 年 10 月 17 日，这一飞机移交给休斯进行为期两年的航电研发测试。
第二架 YF-95A（50-578）飞行在木洛克干湖上空
50-577 安装了“巨鼠”火箭的可收放发射架后前往加州因约肯（Inyokern）附近的中国湖海军导弹靶场进行测试。2.75 寸火箭有 3.42 千克弹头，推进剂耗尽时可以达到 762 米/秒的速度，射程 4,113 米。1951 年 2 月 YF-95A 实施了首次试射。发射时火箭发射架向下伸出，火箭可以分几次发射或一次齐射，发射后火箭尾翼自动张开。
F-86D 伸出机腹发射架，发射“巨鼠”火箭
F-86D 机腹的收放火箭发射架
1950 年 7 月 24 日，基于政治原因 F-95 的型号改为 F-86D。北美公司的官员解释说 F-95 是新研制型号，要获得单独拨款必须要经过国会这一关。而已有型号的改型可以归到另外的预算目录下，所以 F-86D 比 F-95A 能更容易“卖”给国会。但是 USAF 宣称真正的理由是承包商给出的新机价格往往比发展型更高，即使 USAF 最初已同意 F-86D 实质上是“新”飞机并将型号改为 F-95A，但出于“节约纳税人的钱”的目的，他们说服北美管理层同意将这架飞机视为 F-86 的改型，型号改为 F-86D。
朝鲜战争的压力导致美国担心苏联随时攻击本土，对 F-86D 的采购也戏剧性地加速。1951 年 4 月 11 日 USAF 签署了 188 架 F-86D-20-NA（NA-177）的合同。1951 年 7 月 18 日另外一个 638 架 F-86D-25~D-35 的合同经过核准，公司型号 NA-173。现在 F-86D 生产型的订购总数达到了 979 架。