В то время мало кто лил слезы о "несчастной" судьбе истребителя "Рипаблик", но три года спустя многие пожалели о том, скоропалительном решении. В самом деле, в 1967 году всерьез рассматривалась возможность возобновления производства, как следствие тяжелых потерь авиации в Юго-Восточной Азии. А весной 1957 года, когда F-105D был только в проекте, вряд ли кто серьезно рассматривал возможность полномасштабной войны для США в Южном Вьетнаме, и то, что F-105D сыграет ключевую роль в этом конфликте. Рассмотрение судьбы этой программы, очевидно, было далеко не простым делом, особенно когда это касалось такого сложного дела, как попытки превратить "Сад" (все еще считавшийся дневным истребителем) во всепогодный, ударный самолет.
Сравнение двух основных одноместных версий истребителя внешне практически не дает различий, хотя заметен удлиненный носовой обтекатель локатора на F-105D. Установка антенны локатора управления огнем "Дженерал электрик" AN/ASG-19 привела к увеличению длины самолета на 38 см. Менее заметными, но не менее значительными были изменения в "начинки", которые включали установку более мощного двигателя "Пратт & Уитни" J75-P-19W развивавшего с впрыском воды тягу на форсаже до 11975 кг. Использование этого двигателя привело к переделке воздухозаборников. Одновременно была изменена компоновка кабины, получившая вместо обычных приборов дисплей. Эти и другие изменения привели к увеличению взлетного веса, так что пришлось усиливать стойки шасси, тормоза и колеса. Состав вооружения был также изменен. Еще первые проработки проекта обуславливали возможность применения управляемых ракет "воздух-земля" типа AGM-12B "Буллпап". Последняя партия F-105D получила универсальную систему дозаправки топливом в полете, позволявшую заправляться как от шланга, так и от штанги.
Свой первый полет F-105D совершил 9 июня 1959 года, вступив в длительный цикл летных испытаний, продолжавшихся до 1962 года. Это было в основном связано с недоработками в комплексе авиационных систем, которые и должны были обеспечить новой модификации повышенные боевые качества. В данном случае многие элементы системы управления огнем требовали доработок и "утряски", чтобы довести их до приемлемого уровня. Хотя поставки в ТАК начались в сентябре 1960 года, эта модель официально была принята на вооружение только в 1961 году. И вновь головной в программе перевооружения на "Сандерчифы" стало 4-е авиакрыло. Даже после этого потребовались доработки уже выпущенных машин, а процесс поставок был еще задержан и забастовкой персонала "Рипаблик" весной-летом 1962 года.
