Для "Рипаблик", таким образом, F-105F стал "третьей, зачетной попыткой", хотя решение о выпуске этой модели и оказалось палкой о двух концах – ВВС США получили двухместные самолеты вместо такого же числа уже заказанных одноместных F-105D. Всего со сборочной линии сошли 143 F-105F. Конструкция их в целом напоминала "D" и отличалась удлиненной из-за второй кабины на 79-см носовой частью, более высоким килем и возросшей на 680 кг массой.
Хотя первоначально предполагалось использовать для повышенной летной подготовки F-100F, двухместный "Супер Сейбр" оказался не совсем подходящим для этих целей, и секретариат обороны в мае 1962 года заказал двухместный вариант "Сада". "Рипаблик" получила заказ в 8 млн. долл. Как и в случае с F-105D опытного самолета не было. Первый серийный самолет № 62-4412 впервые полетел 11 июня 1963 года.
Так как большинство характеристик новой модели совпадало с F-105D, испытания F-105F были проведены относительно быстро. Самолет поступил на вооружение ТАК уже в начале декабря 1963 года. Первые экземпляры поступили в 4520-е авиакрыло боевой подготовки экипажей на базе Меллис в Неваде. Опять же 4-е авиакрыло на базе Сеймоур-Донсон оказалось головным среди боевых частей в оснащении новым самолетом. Первая машина поступила в это крыло за два дня до конца 1963 года. Вскоре двухместные "Сады" стали поступать за океан. Все авиакрылья, оснащенные "Сандерчифами" получили по несколько двухместных самолетов.
Производство F-105F сначала шло параллельно с F- 105D, потом в серии остался только двухместный вариант, ставший последней выпускавшейся моделью "Сада". Последний самолет этого типа (63-8366) поступил в ВВС США в январе 1965 года, всего лишь за несколько месяцев до начала "знаменитой" операции "Роллинг сандер" против ДРВ, в которой "Сандерчивам" предстояло сыграть ключевую роль.
Двигательная установка: один двигатель "Пратт & Уитни" J75-P-19W тягой 7303 кг на номинале, 11113 кг на форсаже и 12020 кг на форсаже с впрыском воды в течении 2,5 минут; внутренний запас топлива 4390 л плюс 1477-л бак в бомбоотсеке и возможность установки одного 2460-л подфюзеляжного бака или одного 1705-л подфюзеляжного бака и двух таких же подкрыльевых бака.
Летные характеристики: максимальная скорость на уровне моря – 1345 км/ч (М=1,1); 2208 км/ч (М=2,08) на высоте 11000 м; максимальная скороподъемность – 195,58 м/с; боевой потолок – 15120 м; боевой радиус действия с крыльевыми баками и внутренней подвеской – 1252 км при скорости 940 км/ч на высоте 9000-12000 м; перегоночная дальность – 3552 км.
Вес: пустой – 12181 кг; нормальный боевой – 16165 кг; максимальный – 23967 кг.
Размеры: размах крыла – 10,64 м; площадь крыла – 35,77 м2 ; длина – 19,63 м; высота – 6,00 м.
Вооружение: одна 20-мм пушка М-61 с 1028 патронами; возможность подвески до 5443 кг боевой нагрузки (например, 16х340-кг бомб М-117).
Первое появление F-105 в бою фактически произошло несколькими месяцами раньше, уже через несколько дней после печально знаменитого инцидента в Танкинском заливе в начале августа 1964 года. Тогда корабли ДРВ были обвинены в нападении на американские эсминцы "Мэрдокс" и "Тене Джой". Хотя отдельные воздушные удары по преимуществу силами флота и наносились по целям ДРВ у демилитаризованной зоны, F-105 реально не играли никакой роли в операции "Редс эрроу", а также в операции "Флэйлин дэт" в феврале 1965 года (налеты вглубь ДРВ). Тем не менее "танкинский инцидент" дал сигнал к наращиванию воздушной мощи США в Юго-Восточной Азии.
Части, вооруженные "Сандерчифами", из состава ТАК и тихоокеанского командования перебазировались в Юго-Восточную Азию согласно плану "Уан Бэк". Хотя ДРВ наращивала свои воздушные силы, основным театром боевых действий для F-105 стал Лаос, где и состоялся боевой дебют "Сада". Четыре самолета из состава 36-го авиакрыла, действуя с базы Корат в Таиланде, совершили налет на Плейн-оф-Джас. В данном случае операция не имела успеха, но F-105 были наведены разведчиком С-7 "Карибоу" на позиции зенитной артиллерии. Используя свои 20-мм пушки истребители нанесли по ним удар. В результате лейтенанту Дэвиду Грэбену пришлось проявить завидное мужество – его самолет первым в составе американских ВВС получил боевое повреждение – точное попадание 37-мм снаряда. Хотя "Сад" и получил тяжелые повреждения стабилизатора и хвостовой секции, Грэбену удалось продолжить полет и благополучно вернуться в Корат. Это был первый среди многих случаев, когда F-105, несмотря на тяжелые повреждения, был в состоянии благополучно вернуться в Таиланд.
После этого в боевых действиях наступила пауза. Следующий этап эскалации наступил в середине декабря, когда четыре F-105 из 80-го авиакрыла совершили первый из серии разведывательно-ударных полетов над дорогой № 8 в северном Лаосе. Их прикрывали восемь F-100, доразведку целей проводили RF-101. "Сандерчифы" несли 340-кг авиабомбы, неуправляемые ракеты и полный боезапас 20- мм пушек.
Эта задача – первая из серии в данной операции "Бэррел ролл" – была полностью провалена. Плохо спланированная атака "Садов" на мост была безрезультатной. Несмотря на неудачный дебют, четыре F-105 из 44-го авиакрыла, базировавшегося на базе Да Нанг, провели в конце года налет на казармы в Чепоне. Бомбежки возобновились 13 января, когда 16 самолетов из того же 44-го крыла и 67- го нанесли удар по мосту Бэн Кен, используя против этой, хорошо защищенной цели 340-кг бомбы и управляемые ракеты AGM-12B "Блоупайп". Эскорт состоял из восьми F-100, которым предстояли подавить зенитную батарею, и двух RF-101 для фиксации результатов налета.
Хотя мост был разрушен с первого захода, налет продолжался с целью подавить и зенитки вокруг моста. В результате такого непродуманного решения один F-100 был сбит, а четыре самолета получили повреждения. Что касается "Сандерчифов", то и на их долю выпала первая боевая потеря – F-105D №62-4296 был сбит зенитным огнем. Неудивительно, что при разборе боя встал вопрос о необходимости нахождения в районе цели после того, как основная задача уже выполнена. В результате командир 2-й авиадивизии генерал Джозеф Мур вынес очень резкое заключение по данному вопросу.