飞机的主翼后掠45°，面积385英尺²----对于如此庞大的机身来说是很小的----而且很薄，以便于高速飞行（译者在做1/48模型的时候从俯瞰F-105和A-1两种飞机可以发现，F-105在A-1面前是多么渺小╮(╯▽╰)╭）。它为战术核任务提供了稳定、快速的低空飞行，因为在执行核任务时转弯性能不是首要考虑因素。然而，这种主翼不可避免地限制了F-105对付更具机动性的对手的能力，比如北越空军的米格-17。就像一名335TFW联队的飞行员沮丧地说道，"空战是一场盘旋游戏，转弯性能最好的飞机具有优势。"
为了能够让机身下方的腹鳍能够不触及地面，飞机的主翼被设定在中央，而且要求起落架又长又坚固。这也让飞机能够安装复合挂架(MER)，最多在机腹下挂载6枚750磅炸弹，也可以换成1个450加仑或650加仑的副油箱。这还意味着座舱离地面12英尺高----和米格-17的垂尾一样高！每侧主翼外面可以安装2个挂架(主起落架向内侧收起)，而外侧挂架经常在战斗中挂载AN/ALQ-87电子对抗吊舱或一枚AIM-9B响尾蛇导弹。内侧机翼部分包含发动机进气口，其独特配置带有向内倾斜的边缘。
飞行控制包括了副翼，副翼通过位于每个机翼上方的五段扰流板进行操作，用于在亚音速飞行时进行滚转。在高速飞行下，扰流板负责所有的滚转控制，花式后退襟翼用于起飞和降落，同样可以在机动过程中提供额外的升力，或者单独使用来辅助滚转。全动式平尾被安装在飞机下方，以避开主翼的乱流，垂尾上有一个尾舵，像其它的控制系统一样，三个不同的系统均由液压控制。
4TFW联队把F-105B和F-105D引入一线服役，1965年8月，他们与18TFW、23TFW联队和41AD师一起将雷公临时部署至泰国呵叻和达欺。那时，4TFW联队334TFS中队的绝大多数F-105都刷上了东南亚迷彩，并在垂尾顶端保留了蓝色的条纹和白五角星，但61-0105号机(后来成为米格杀手鲍勃.斯科特上校的座机)仍是银色的。当时米格机活动有限，因此就没有携带AIM-9B导弹。
由于在最初的核攻击任务里不需要为这些系统提供保护，因此液压系统管线几乎平行于飞机的下机身。在战斗中，很多飞机都因为液压系统被击中而坠毁。所以，在后来又增加了一台分开布置的辅助系统。共和公司设计的飞行员恢复系统在达欺皇家泰国空军基地进行了演示，该系统修改了飞行控制装置，以防止液压损坏后飞机失控，并逐渐改装到所有幸存的F-105上。
F-105D
1959年6月交付给4TFW联队的75架F-105B的机鼻武器投放航电设备包括了一台带有E-50瞄准系统(联合E-34雷达系统配合使用)的MA-8火控系统，以及一台E-30弹道计算机。当B型机进入前线服役的时候，美国空军的注意力集中在使用R-14北美搜索和测距雷达系统(NASARR)的全天候F-105D上。D型的机鼻被延长了15英寸，以便在更大的雷达罩内容纳下R-14A雷达的扫描天线，后者取代了E-34。它的多普勒惯性能力让飞行员能够不断更新他所在的位置信息，并且它成为能见度较差时必不可少的导航辅助设备，但是有些不稳定。
在北越上空，雷达经常被关闭，因为它会触发编队中其它F-105上的雷达警告装置。理论上，雷达可以与武器选择开关上的"航炮-空对空"设置配合使用，可是在战斗中，许多飞行员发现，由于地面回波的干扰，当在10000英尺以下(大多数米格机的交战高度)操作时，它无法为瞄准器提供可靠的信息。除非飞行员使用全雷达锁定模式，否则瞄准器无法补偿长距离弹道上的炮弹下坠。
在越南，通常需要通过目视而不是仅通过雷达来识别潜在的空中目标。
很多越战早期的飞行员和飞机都来自于美国空军欧洲司令部旗下的2支雷公联队，照片中，F-105D 60-0490上涂有原始的裸机银色，隶属于西德比特堡基地的36TFW联队。如果雷达应答器没有响应的话，没有"涂装"的飞机对于地面管制进场雷达来说更容易被发现。比特堡基地的F-105从1965年起被F-4鬼怪II取代，而斯潘达海姆基地49TFW联队的雷公则从1966年末起向泰国转移。此机接下来由达欺基地的355TFW联队354TFS中队使用，涂有RM尾码，绰号"Captain Radio/Nuk'Em(机长无线电/把他们核平)"。
新型AN/ASG-19雷杆火控系统及其航空电子设备的安装占据了F-105B中M61A1航炮先前使用的空间，导致武器被进一步移回喷气式飞机的机身。此外，D型还修改了驾驶舱布局，一些传统仪表盘被两个垂直磁带显示器取代，以便快速参考速度和高度。
F-105D的交付从1961年3月开始，首批飞机装备內利斯基地的4520CCTW联队，首支F-105D作战联队是西德比特堡基地的36TFW联队，他们于1961年5月12日接收了第一批飞机。在不到4年的时间里，该联队的许多飞机被转移到驻扎在泰国的作战联队，用于越南战争。1961年，美国空军计划给14支战术联队装备F-105D，但是约翰.肯尼迪政府和吝啬鬼国防部长约翰.麦克纳马拉把数量减少到了8支联队，剩下的都换装F-4鬼怪II。F-105D只生产了610架，到了1970年，超过半数的飞机在战斗或事故中损失。由于数量不足，F-105成为了美国空军唯一一种因为过度消耗而被迫退出前线服役的作战飞机。
双座型F-105F的订购被拖延至1962年5月，取代了共和公司订单中最后的143架F-105D。F型的机身被延长了31英寸，以便容纳下第二个座舱，而且垂尾的面积也增加了15%，部分原因是为了保持重心的位置。两个座舱里都安装了弹射座椅，最初由弹道点火装置启动，但从1966年末起改成了火箭推进。虽然后部座舱的视野有限，但是从1966年中开始，F-105F在內利斯基地里被大量用于训练，部分原因是大多数单座飞机已经在国外参加战斗。很多F型机体后来都被改成野鼬鼠防空压制机，并保留了完整的作战能力。在击落米格机的雷公里，有3架是F-105F。