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.
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.