В мае 1957 г. ВВС предложили фирме Рипаблик разработать на основе базовой дневной модели круглосуточный и всепогодный истребитель-бомбардировщик, для чего требовалось заменить систему управления огнем МА-8, которой оснащались самолеты F-105B, более совершенной системой AN/ASG-19. Прототип всепогодного F-105D (серийный номер 58-1146) совершил первый полет 9 июня 1959 г. Внешне F-105D отличался от F-105В увеличенной на 15 дюймов длиной носовой части фюзеляжа и смонтированном на кончике обтекателя РЛС приемника воздушного давления. Фактически F-105D представлял собой одну из первых комплексных боевых авиационных систем. Летчика удалось в значительной степени разгрузить от решения навигационных задач и пилотирования самолета, сконцентрировав его внимание на оценке ситуации и принятии решений.
Модификация F-105D стала самой массовой в семействе «Тандерчифов»: всего на вооружение тактического авиационного командования ВВС США поступило не менее 610 самолетов варианта «D». Вообще-то ВВС планировали закупить более 1500 самолетов для вооружения 14 авиакрыльев.
Первым получила F-105D в мае 1960 г. 335-я тактическая истребительная эскадрилья из 4-го тактического истребительного авиакрыла. На торжественной передаче первого истребителя-бомбардировщика присутствовал командующий ТАК ВВС США генерал О. П. Уэйлэнд. В этом подразделении новая модель «Тандерчифа» проходила войсковые испытания. На время испытаний эскадрилью перебросили на авиабазу Неллис. Затем F-105D поступили в 4520-е авиакрыло боевой подготовки, которое дислоцировалось на авиабазе Неллис. 4-е авиакрыло стало первым, полностью укомплектованным истребителями-бомбардировщиками F-105D: вслед 335-й эскадрильей всепогодные «Тады» получили 333-я, 334-я и 336- я эскадрильи.
Наиболее приоритетными заданиями для одноместного всепогодного истребителя-бомбардировщика являлись:
1. Уничтожение военного потенциала противника ядерными боеприпасами на дальностях до 1600 км от аэродрома базирования. Боеприпасы могут сбрасывать с малой высоты на скорости несколько превышающей звуковую, точность бомбометания составляет 150–350 м; точность бомбометания с больших высот на скорости, близкой к М=2, составляет 600–900 м. Типовыми маневрами при сбросе бомб являются пологое пикирование, полупетля, горизонтальный полет.
2. Непосредственная авиационная поддержка наземных войск и нанесение ударов по тыловым районам противника обычными боеприпасами: фугасными и зажигательными свободнопадающими бомбами, неуправляемыми авиационными ракетами, управляемыми ракетами класса воздух-поверхность «Булпап».
Предусматривалась возможность применения самолета в качестве истребителя-перехватчика из положения «дежурство на аэродроме». Для поражения воздушных целей в состав вооружения включены ракеты класса воздух-воздух «Фалкон» и «Сайдуиндер».
Типовой боевое вылет истребителя- бомбардировщика F-105D на поражение удаленной на 1500 км наземной цели ядерным оружием должен был протекать следующим образом: