Недостатком ранних модификаций F-100 был воздушный запуск двигателя, что требовало наличия аэродромного пускового агрегата и снижало автономность. На новом варианте предусмотрели запуск и от порохового картриджа.
27 сентября 1954 г. был подписан контракт на выпуск модификации, получившей обозначение F-100D (фирменное NA-223, в дальнейшем в зависимости от серии и завода-производителя использовались также NA-224, NA-235 и NA-245). 24 января 1956 г. летчик-испытатель NAA Дэн Дарнел (Dan Darenll) поднял в воздух первый F-100D-1-NA (№ 54-2121). Первым соединением USAF, вооруженным F-100D, стало 405-е истребительно-бомбардировочное авиакрыло на авиабазе Лэнгли, шт. Вирджиния. Оно получило первые самолеты в сентябре 1956 г.
Изначально «Супер Сейбр» не имел центрального подфюзеляжного пилона для подвески вооружения. Его начали устанавливать со 184-го серийного F-100D, для чего модифицировали конструкцию фюзеляжа и увеличили вырез на тормозном щитке. После внедрения на аэродромах НАТО аэрофинишеров самолеты доработали (в т.ч. и часть F-100C), установив снизу в хвостовой части фюзеляжа посадочный гак. Кроме того, F-100D поздних серий оснастили небольшими аэродинамическими гребнями на крыле, предназначенными для предотвращения срыва потока на больших углах атаки.
Одним из самых необычных субвариантов F-100D стал самолет, взлетавший с портативной пусковой установки, или система ZEL (Zero Length Launch). Его предполагалось использовать на Европейском ТВД для нанесения ответного удара в считанные минуты после советской ядерной атаки и независимо от степени повреждения аэродромов. Для этой цели NAA совместно с Rocketdyne division разработали мобильную пусковую установку с использованием ракетного твердотопливного стартового ускорителя тягой в 58 тс, который в течение четырех секунд разгонял «Супер Сейбр» до скорости 443 км/ч.
Толчком к развитию системы стала фотография советского самолета СМ-30 (вариант МиГ-19), стартующего с аналогичной установки. 12 октября 1956 г. был заключен соответствующий контракт, и последние 148 серийных F-100D доработали под навеску ускорителя. 7 июля 1957 г. летчик-испытатель Эл Блекборн (AI Blackborn) выполнил первый взлет с пусковой установки. Вскоре отработали и старт с объемно-весовым макетом атомной бомбы Мк.7 под левой и 275-галонным ПТБ под правой консолями крыла.
Хотя систему ZEL приняли на вооружение, но выполнили всего 20 пусков, причем в 16 случаях самолет пилотировал все тот же Блекборн и лишь в четырех — строевой летчик к-н РобертТитус (Robert F. Titus). Несмотря на то, что входе стартов не было инцидентов, такой «цирк» казался слишком рискованным, и после 26 августа 1959 г. запусков не производили.
