Первое серьезное изменение в конструкцию перехватчика XF-103, внесенное в течение дополнительного периода исследований, касалось сопла двигателя. Квадратное сопло превратили в круглое осесимметричное. Сделано это было, в основном, по причине уменьшения массы конструкции, так как известно, что при заданных размерах круглое сопло требует меньше материалов, чем квадратное. В результате воздушные тормоза, находившиеся на боковых стенках квадратного сопла, разместились на фюзеляже сразу же перед регулируемыми створками сопла. Для улучшения путевой устойчивости размеры вертикального оперения (размах и площадь) были несколько увеличены.
Второй этап программы начался в конце 1954 г. Вплоть до января 1957 г., когда была проведена техническая инспекция проекта, продолжалось решение различных проблем, причем над конструктивным их решением преобладали политические аспекты.
Облик перехватчика XF-103 после января 1957 г. отразил все изменения как с технической точки зрения, так и боевого применения, вносившиеся с самого начала разработки. Передняя секция фюзеляжа была удлинена на 1,5 м, что позволило увеличить емкость топливных баков, использовать управляемые ракеты класса воздух-воздух с ядерной или обычной боеголовкой и усовершенствованной системой управления пуском, а также увеличить размеры отсека под носовым обтекателем для установки РЛС с антенной диаметром 1,03 м и дальностью обнаружения цели 160 км. Результатом этого стало увеличение длины фюзеляжа до 24,96 м.
Процесс проектирования всегда сопровождается увеличением взлетной массы самолета и, соответственно, его размерами. Так и в случае с перехватчиком рост массы заставил увеличить размах крыла до 10,91 м (но при сохранении его площади) и высоту вертикального оперения до 5,55 м.
В конце 1958 г. фирма Рипаблик предполагала приступить к наземным испытаниям самолета, а в начале 1960 г. планировалось поднять его в воздух.
Через восемь месяцев после полета первого опытного самолета XF-103 должны были начаться испытания второго. Третий самолет предполагалось оснастить штатным электронным комплексом для отработки системы управления огнем.
В январе 1957 г. во время заседания инспекционной комиссии фирма Рипаблик предложила построить специализированный демонстрационный самолет и провести на нем программу скоростных полетов на большой высоте независимо от программы разработки перехватчика XF-103. Это предложение должно было оказать поддержку разработке боевого самолета, так как с начала его создания прошло уже шесть лет, в нее было вложено 100 млн. долл., а самолет до сих пор так и не взлетел.
