Второй прототип YF-105A совершил первый полет 28 января 1956 г. Эта «птица» налетала еще меньше первой. На взлете носовая опора убралась в нишу быстрее обычного. Колесо ударило о стенку ниши, после чего опора опять вывалилась наружу, стойку заклинило в выпущенном положении. У летчика-испытателя Хэнка Бирда альтернативы вынужденной посадке не оставалось. Второй прототип также пришлось списать.
Немногочисленные испытательные полеты первых двух прототипов выявили серьезные просчеты конструкторов и аэродинамиков. Самолет явно не добирал в скорости из-за повышенного по сравнению с расчетным сопротивления.
Все это время в НАСА велись интенсивные исследования в области аэродинамики трансзвуковых скоростей. Результаты исследования ученых из «американского ЦАГИ» нашли отражение в облике всех истребителей 100-й серии. На основе рекомендаций НАСА «вылизали» форму фюзеляжа с целью снижения волнового сопротивления, было учтено «правило площадей». Такой фюзеляж получил в среде американских авиационных инженеров прозвище «бутылка Коки» за очевидное сходство со стеклотарой из-под Кока-Колы.
Полному пересмотру подверглись и воздухозаборники, получившую характерную «обратную стреловидность» передних кромок. Такую конструкцию предложил Антонио Ферри из НАСА. Воздухозаборники получили компьютеризованную систему автоматического управления створками. Учет правила площадей и изменение конструкции воздухозаборников в сочетании с двигателем J-75 по расчетом позволяли самолету преодолеть заветные «два Маха».
С некоторыми необходимыми изменениями конструкции ясность появилась еще до первых полетов прототипов, но изготовление первых двух планеров зашло столь далеко, что радикально изменить их конструкцию уже не представлялось возможным. Третий самолет достраивался как YF- 105В, последующие машины (в числе которых были и три разведчика) также строились по откорректированной документации.
В конце 1955 г. у парней с фирмы Рипаблик появился опасный конкурент. Фирма Норт Америкэн сумела заинтересовать ВВС проектом самолета XF-107A – глубокой модификацией «Супер Сейбра». Сегодня истребитель с надфюзеляжным воздухозаборником прочно попал бы в разряд авиационных несуразиц, тогда же он считался перспективной машиной. Окончательный выбор между двумя истребителями-бомбардировщиками предстояло сделать по результатам летных испытаний. Победителю предстояло стать стандартным ударным самолетом тактического авиационного командования ВВС США.
Полеты YF-105A прокладывают путь в серию для F-105B. Оснащенный двигателем J-75 прототип YF-105B (серийный номер 54-0100) был доставлен в летно-испытательный центр Эдварде 29 апреля 1956 г. Между тем, YF-105A уже продемонстрировал лучшие характеристики по сравнению с XF-107A. Как следствие, в марте 1956 г. ВВС зарезервировали ассигнования в размере 10 млн. долл. в бюджете 1957 финансового года на закупку 65 истребителей-бомбардировщиков F-105B и 17 разведчиков RF-105.
Первый полет YF-105B выполнил 26 мая. Первый полет – первое летное происшествие. При заходе на посадку не вышли основные опоры шасси. Летчик-испытатель Лайн Хендрикс ушел на второй круг, а затем вполне нормально посадил самолет на брюхо. А затем произошел очередной авиационной курьез. Хендрикс уже выбрался из самолета, когда раздался специфический шум выпускаемых опор шасси! На ремонт прототипа ушло шесть недель.
Возможно, именно эта задержка повлияла на озвученное в июле 1956 г. решение ВВС принять но вооружение разведчик RF-101 в пику RF-105. Все три RF-105B переделали в JF-105B, которые использовались для испытаний вооружения и различных бортовых систем.
В августе 1956 г. доселе безымянный самолет F-105 окрестили "Тандерчифом».
В январе 1957 г. Пентагон одобрил выбор ВВС США – в серийное производство запускалось система вооружения WS-306A, главным компонентом которой являлся истребитель-бомбардировщик F-105B (разведчик RF-105B входил в состав комплекса WS-306L). В состав системы вооружений входил собственно самолет, а также все необходимое, для его эксплуатации и ремонта.
К 30 июня 1957 г. фирма Рипаблик изготовила всего пять самолетов: два YF-105A и три YF-105B.
Летные испытания F-105B продолжались весь 1957 г. Во время проведения празднеств в честь 50-летия военной авиации США на авиабазе Эндрюс 28 июля новый самолет впервые был показан публично, точнее два самолета: RF-105B и F- 105С F-105B в ВВС США
Единственный построенный самолет F-105B-6 (заводской номер 54-0111) стал первым «Тандерчифом», переданным тактическому авиационному командованию ВВС США, церемония передачи состоялась 26 мая 1958 г.