การออกแบบเบื้องต้นของสิ่งที่จะกลายเป็น Voodoo เริ่มขึ้นในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2489 เพื่อตอบสนองต่อการแข่งขันเครื่องบินขับไล่แทรกซึมของกองทัพอากาศสหรัฐฯ ที่เปิดตัวหลังสงครามโลกครั้งที่สอง [ ^{4 ] การ}แข่งขันนี้ต้องการเครื่องบินขับไล่ระยะไกลที่มีประสิทธิภาพสูงเพื่อคุ้มกันเครื่องบินทิ้งระเบิดรุ่นใหม่ คล้ายกับบทบาทในช่วงสงครามของเครื่องบินNorth American P-51 Mustangในการคุ้มกันเครื่องบินBoeing B-17 Flying FortressesและConsolidated B-24 Liberatorsข้ามน่านฟ้าที่มีการแย่งชิงกันMcDonnellเป็นหนึ่งในหลายบริษัทที่ตอบสนองต่อการแข่งขัน การออกแบบของพวกเขาได้รับประโยชน์จากการวิจัยของเยอรมันที่เพิ่งยึดมาได้เกี่ยวกับเครื่องบินเจ็ทความเร็วสูง^{[ 5 ] [ 6 ]}

เมื่อวันที่ 14 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2490 แมคดอนเนลล์ได้รับสัญญา ( AC-14582 ) ให้ผลิตต้นแบบสองลำ โดยกำหนดชื่อเป็นXF-88 Voodoo [ ^{7 ] [ 8 ] ต้นแบบ}ลำแรก (หมายเลขซีเรียล46-6525 ) ซึ่งใช้เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตWestinghouse XJ34-WE-13  ขนาด 3,000 lbf (13.3  kN) สองเครื่อง บินขึ้นจากมูร็อกเมื่อวันที่ 20 ตุลาคม พ.ศ. 2491 ^{[ 9 ] [ 10 ]}การทดสอบเบื้องต้นเผยให้เห็นว่า แม้ว่าการควบคุมและระยะทำการบินจะเพียงพอ แต่ความเร็วสูงสุดกลับน่าผิดหวังเพียง 641 ไมล์ต่อชั่วโมง (1,032 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) ที่ระดับน้ำทะเล^{[ 11 ]}หลังจากติดตั้งระบบเผาไหม้เพิ่มเติมที่ออกแบบโดย McDonnell ให้กับต้นแบบที่สอง แรงขับเพิ่มขึ้นเป็น 3,600 lbf (16.1 kN) ส่งผลให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ทั้งความเร็วสูงสุด อัตราการไต่ระดับเริ่มต้น และระยะทางการบินขึ้นที่ลดลง การสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ทำให้ระยะทางการบินลดลง^{[ 9 ] [ 12 ]}    

XF-88 ชนะการแข่งขัน "บินทดสอบ" กับLockheed XF-90และNorth American YF-93 ที่เข้าร่วมแข่งขัน แต่การจุดระเบิดอาวุธนิวเคลียร์ครั้งแรกของสหภาพโซเวียตทำให้กองทัพอากาศสหรัฐ (USAF) เพิ่มความสำคัญของเครื่องบินสกัดกั้นและลดความสำคัญของเครื่องบินคุ้มกันเครื่องบินทิ้งระเบิด และยุติโครงการเครื่องบินขับไล่แทรกซึมในปี 1950 ^{[ 13 ] [ 14 ]}อีกปัจจัยหนึ่งในการยุติโครงการคือข้อจำกัดด้านงบประมาณ^{[ 10 ] [ 8 ]} อย่างไรก็ตาม การวิเคราะห์ภารกิจในสงครามเกาหลีเผยให้เห็นว่าเครื่องบินทิ้งระเบิดเชิงกลยุทธ์ของ USAF ในยุคนั้นมีความเสี่ยงต่อการถูกสกัดกั้นโดยเครื่องบินขับไล่ ในช่วงต้นปี 1951 USAF ได้ออกข้อกำหนดใหม่สำหรับเครื่องบินคุ้มกันเครื่องบินทิ้งระเบิด ซึ่งผู้ผลิตรายใหญ่ของสหรัฐทั้งหมดได้ส่งแบบมา^{[ 15 ]}การออกแบบของ McDonnell ซึ่งเป็นรุ่นที่ใหญ่กว่าและมีกำลังมากกว่า XF-88 ชนะการประมูลในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2494 หกเดือนต่อมา F-88 ที่ได้รับการออกแบบใหม่นี้ได้รับการกำหนดชื่อเป็น F-101 Voodoo ^{[ 16 ] [ 17 ]}

การออกแบบใหม่มีขนาดใหญ่ขึ้นอย่างมาก บรรทุกเชื้อเพลิงได้มากกว่าเดิมถึงสามเท่า และออกแบบโดยใช้เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ทPratt & Whitney J57 ที่มีขนาดใหญ่และทรงพลังกว่า ^{[ 18 ]}ขนาดที่ใหญ่ขึ้นของเครื่องยนต์ J57 ทำให้ต้องมีการปรับเปลี่ยนช่องเครื่องยนต์ และปรับเปลี่ยนช่องรับอากาศเพื่อให้มีปริมาณอากาศไหลเข้าสู่เครื่องยนต์มากขึ้น ช่องรับอากาศใหม่ยังได้รับการออกแบบให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นที่ความเร็ว Mach ที่สูงขึ้น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์ ลดน้ำหนักโครงสร้าง และบรรเทา ปรากฏการณ์ การยกตัวขึ้นที่เพิ่งระบุได้ในระหว่างการทดสอบการบินของDouglas D-558-2 Skyrocketซึ่งเป็นเครื่องบินที่มีการกำหนดค่าพื้นผิวควบคุมคล้ายกับ XF-88 หางแนวนอนจึงถูกย้ายไปอยู่ด้านบนของครีบหางแนวตั้ง ทำให้ F-101 มี "หางรูปตัว T" อันเป็นเอกลักษณ์ ในช่วงปลายปี 1952 ภารกิจของ F-101 ได้เปลี่ยนจาก "เครื่องบินขับไล่แทรกซึม" เป็น "เครื่องบินขับไล่เชิงกลยุทธ์" ซึ่งเน้นทั้งภารกิจคุ้มกันเครื่องบินทิ้งระเบิดและการส่งมอบอาวุธนิวเคลียร์อย่างเท่าเทียมกัน แบบจำลอง Voodoo ใหม่ที่มีการปรับแต่งช่องรับอากาศ พื้นผิวหาง ล้อลงจอด และอาวุธนิวเคลียร์จำลอง ได้รับการตรวจสอบโดยเจ้าหน้าที่กองทัพอากาศในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2496 ^{[ 19 ]}การออกแบบได้รับการอนุมัติ ส่งผลให้มีการสั่งผลิต F-101A จำนวน 29 ลำ ในวันที่ 28 พฤษภาคม พ.ศ. 2496 ไม่จำเป็นต้องมีต้นแบบ เนื่องจาก F-101 ถือเป็นการพัฒนาต่อยอดจาก XF-88 โดยตรง^{[ 20 ]}โดยเลือกใช้ นโยบายการผลิต Cook-Cragieซึ่งการผลิตในอัตราต่ำในช่วงเริ่มต้นจะใช้สำหรับการทดสอบโดยไม่ต้องใช้ต้นแบบแยกต่างหาก^{[ 21 ] [ 22 ]}

แม้จะได้รับคำสั่งซื้อสำหรับเครื่องบินรุ่นนี้แล้ว แต่แมคดอนเนลล์ก็ได้รับคำสั่งให้หยุดการผลิตเมื่อวันที่ 16 เมษายน พ.ศ. 2497 ซึ่งเป็นผลมาจากการลดงบประมาณของกองทัพอากาศสหรัฐฯ โดยรวมอย่างมาก กิจกรรมการผลิตที่มีนัยสำคัญจึงไม่ได้กลับมาดำเนินการต่อจนกระทั่งบริษัทได้รับคำสั่งที่เอื้ออำนวยเมื่อวันที่ 2 พฤศจิกายน พ.ศ. 2497 ^{[ 23 ]}ณ จุดนี้ กองทัพอากาศสหรัฐฯ ได้กำหนดเส้นตายให้แมคดอนเนลล์เริ่มดำเนินการได้ในช่วงต้นปี พ.ศ. 2490 ^{[ 24 ]}

เครื่องบินผลิตลำแรก F-101A หมายเลขประจำเครื่อง53-2418ทำการบินครั้งแรกเมื่อวันที่ 29 กันยายน พ.ศ. 2497 จากฐานทัพอากาศเอ็ดเวิร์ดส์ ในระหว่างการบินครั้งนี้ เครื่องบินทำความเร็วสูงสุดได้ถึงMach 0.9 (960 กม./ชม.)ที่ระดับความสูง35,000 ฟุต (11,000 ม.) [ ^{25 ] เครื่องบิน}ลำนี้ซึ่งเป็นกรรมสิทธิ์ของเอกชน ได้ถูกย้ายไปยังศูนย์ซ่อมบำรุง Evergreen ในเมืองมารานา รัฐแอริโซนาได้รับการบูรณะ และปัจจุบันจัดแสดงอยู่ที่พิพิธภัณฑ์การบินและอวกาศ Evergreenในเมืองแมคมินวิลล์ รัฐโอเรกอน [ ^{26 ] ก่อน}หน้านี้เคยจัดแสดงอยู่ที่พิพิธภัณฑ์เครื่องบิน Pueblo Weisbrod   

การสิ้นสุดของสงครามเกาหลีและการพัฒนาเครื่องบินทิ้งระเบิดเจ็ทBoeing B-52 Stratofortressทำให้ความจำเป็นในการคุ้มกันด้วยเครื่องบินขับไล่หมดไป และกองบัญชาการยุทธศาสตร์ทางอากาศ (SAC) จึงตัดสินใจถอนตัวออกจากโครงการ แม้ว่า SAC จะหมดความสนใจ แต่ F-101A ก็ดึงดูดความสนใจของกองบัญชาการยุทธวิธีทางอากาศ (TAC) ส่งผลให้ F-101 ถูกปรับเปลี่ยนให้เป็นเครื่องบินขับไล่ทิ้งระเบิด^{[ 27 ] [ 28 ]}ในบทบาทนี้ เครื่องบินลำนี้ถูกออกแบบมาเพื่อบรรทุกอาวุธนิวเคลียร์ หนึ่งลูก สำหรับใช้โจมตีเป้าหมายทางยุทธวิธีเช่น สนามบิน TAC ได้ร้องขอการเปลี่ยนแปลงหลายอย่างใน F-101 เพื่อให้เหมาะสมกับบทบาทใหม่นี้ รวมถึงอุปกรณ์เพิ่มเติมเพื่อการสื่อสารทางอากาศสู่พื้นดิน การจัดเตรียมเพื่อบรรทุกพ็อดภายนอก และการเสริมความแข็งแรงของโครงสร้าง^{[ 29 ] [ 30 ]}

ด้วยการสนับสนุนจาก TAC การทดสอบ F-101 จึงกลับมาดำเนินการต่อ โดยเริ่มการทดสอบการบินประเภทที่ 2 ในช่วงต้นปี 1955 มีการระบุปัญหาหลายประการและส่วนใหญ่ได้รับการแก้ไขในระหว่างขั้นตอนการพัฒนานี้ พบปัญหาเกี่ยวกับ ระบบ ควบคุมการบินอัตโนมัติ ระบบไฮด รอลิกช่องมองภาพและระบบควบคุม โดยทั่วไปแล้ว McDonnell จะเปลี่ยนชิ้นส่วนที่ไม่น่าพอใจด้วยชิ้นส่วนที่ออกแบบใหม่^{[ 31 ]}ปัญหาหนึ่งที่สำคัญคือแนวโน้มที่อันตรายของเครื่องบินที่จะเชิดหัวขึ้นอย่างรุนแรงเมื่อบินด้วยมุมปะทะ สูง ซึ่งจะไม่ได้รับการแก้ไขอย่างสมบูรณ์^{[ 32 ] [ 33 ]}อย่างไรก็ตาม กองทัพอากาศสหรัฐฯ พอใจกับการติดตั้งระบบยับยั้งแบบแอคทีฟเพื่อยับยั้งเหตุการณ์ดังกล่าว^{[ 34 ]}มีการปรับปรุง F-101 ประมาณ 2,300 รายการระหว่างปี 1955 ถึง 1956 ก่อนที่จะเริ่มการผลิตเต็มรูปแบบในเดือนพฤศจิกายน 1956 ^{[ 35 ]}

เมื่อวันที่ 2 พฤษภาคม พ.ศ. 2490 เครื่องบิน F-101A ลำแรกถูกส่งมอบให้กับกองบินขับไล่เชิงกลยุทธ์ที่ 27ซึ่งย้ายไปสังกัด TAC ในเดือนกรกฎาคมปีนั้น^{[ 21 ] [ 36 ]}โดยมาแทนที่ เครื่องบิน F-84F Thunderstreak ของพวกเขา เครื่องบิน F-101A ใช้เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ต Pratt & Whitney J57-P-13 สองเครื่อง^{[ 20 ]}ทำให้สามารถเร่งความเร็วได้ดี มีอัตราการไต่ระดับสูง สามารถทะลุผ่านกำแพงเสียงในการบินระดับได้อย่างง่ายดาย และมีสมรรถนะสูงสุดที่Mach  1.52 ความจุเชื้อเพลิงภายในขนาดใหญ่ของ F-101 ทำให้สามารถบินได้ไกลประมาณ3,000 ไมล์ (4,800 กิโลเมตร)โดยไม่หยุดพัก^{[ 37 ]}เครื่องบินลำนี้ติดตั้งเรดาร์ควบคุมการยิง MA-7 สำหรับทั้งการโจมตีทางอากาศและการโจมตีภาคพื้นดิน เสริมด้วยระบบทิ้งระเบิดระดับต่ำ (LABS) สำหรับการส่งมอบอาวุธนิวเคลียร์^{[ 20 ]}และได้รับการออกแบบมาเพื่อบรรทุกระเบิดนิวเคลียร์Mk 28เดิมทีแล้ว F-101A มีแผนจะบรรทุกอาวุธนิวเคลียร์แบบ McDonnell Model 96 ซึ่งเป็น พ็อดเชื้อเพลิง/อาวุธขนาดใหญ่ที่มีแนวคิดคล้ายกับของConvair B-58 Hustlerแต่แผนดังกล่าวถูกยกเลิกในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2499 ก่อนที่ F-101 จะเข้าประจำการ อาวุธนิวเคลียร์อื่นๆ ที่ใช้งานจริง ได้แก่ อาวุธ Mk 7 , Mk 43และMk 57แม้ว่าในทางทฤษฎีจะสามารถบรรทุกระเบิดธรรมดา จรวด หรือขีปนาวุธอากาศสู่อากาศ Falcon ได้ ^{[ 38 ]} [ ^{39 ] แต่} Voodoo ไม่เคยใช้อาวุธดังกล่าวในการปฏิบัติการจริง^{[ 40 ]}ติดตั้งปืนใหญ่ M39 ขนาด 20 มม. จำนวน 4 กระบอก โดยมักจะถอดปืนใหญ่ออก 1 กระบอกในระหว่างการใช้งานเพื่อให้มีพื้นที่สำหรับเครื่องรับสัญญาณบีคอนTACAN   

เครื่องบิน F-101 ได้สร้างสถิติความเร็วหลายรายการ รวมถึง: เครื่องบิน JF-101A (เครื่องบิน F-101A ลำที่เก้าที่ได้รับการดัดแปลงเป็นเครื่องทดสอบสำหรับเครื่องยนต์ J-57-P-53 ที่ทรงพลังกว่าของ F-101B) ทำลายสถิติความเร็วโลกที่ 1,207.6  ไมล์ต่อชั่วโมง (1,943.4  กิโลเมตรต่อชั่วโมง) เมื่อวันที่ 12 ธันวาคม พ.ศ. 2490 ระหว่าง "ปฏิบัติการ Firewall" ^{[ 41 ]}ซึ่งทำลายสถิติเดิมที่ 1,132  ไมล์ต่อชั่วโมง (1,811  กิโลเมตรต่อชั่วโมง) ที่ตั้งโดยเครื่องบินFairey Delta 2ในเดือนมีนาคมของปีที่แล้ว สถิตินี้ถูกทำลายในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2491 โดยเครื่องบินLockheed F-104 Starfighter เมื่อวันที่ 27 พฤศจิกายน พ.ศ. 2490 ระหว่าง "ปฏิบัติการซันรัน" เครื่องบิน RF-101C ทำลายสถิติการเดินทางจากลอสแอนเจลิสไปนิวยอร์กซิตี้และกลับมาลอสแอนเจลิสในเวลา 6 ชั่วโมง 46 นาที ทำลายสถิติการเดินทางจากนิวยอร์กไปลอสแอนเจลิสในเวลา 3 ชั่วโมง 36 นาที และทำลายสถิติการเดินทางจากลอสแอนเจลิสไปนิวยอร์กในเวลา 3 ชั่วโมง 7 นาที^{[ 42 ]}

มีการสร้าง F-101A ทั้งหมด 77 ลำ โดยมีเพียง 50 ลำเท่านั้นที่ถูกนำไปใช้งานจริง ส่วนที่เหลือใช้สำหรับการทดลองเท่านั้น^{[ 36 ] [ 39 ]}พวกมันถูกทยอยปลดประจำการจากกองทัพอากาศสหรัฐฯ ตั้งแต่ปี 1966 ^{[ 43 ]}เครื่องบินที่เหลือรอด 29 ลำถูกดัดแปลงเป็นRF-101Gโดยมีการปรับเปลี่ยนส่วนหัว ติดตั้งกล้อง ตรวจการณ์แทนปืนใหญ่และเรดาร์ เครื่องบินเหล่านี้ประจำการอยู่ในกองกำลังพิทักษ์อากาศแห่งชาติจนถึงปี 1972 ^{[ 44 ] [ 45 ]}

ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2496 กองทัพอากาศสหรัฐฯ ได้ร้องขอให้สร้างเครื่องบิน F-101A จำนวน 2 ลำเป็นต้นแบบเครื่องบินลาดตระเวนทางยุทธวิธี YRF-101A ^{[ 46 ] [ 47 ]}ต่อมาได้มีการผลิตเครื่องบิน RF-101A จำนวน 35 ลำ^{[ 48 ]}เครื่องบิน RF-101A ใช้โครงสร้างลำตัวร่วมกับ F-101A รวมถึงขีดจำกัด 6.33 g (62  m/s²) แต่ได้เปลี่ยนเรดาร์และปืนใหญ่เป็นกล้องมากถึง 6 ตัวในส่วนหัวที่ปรับรูปทรงใหม่^{[ 49 ] [ 50 ]}มีการติดตั้งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ตามคำขอของ TAC ^{[ 51 ]}เช่นเดียวกับ F-101 รุ่นอื่นๆ เครื่องบินรุ่นนี้มีระบบเติมเชื้อเพลิงกลางอากาศ ทั้งแบบบูมบินและแบบโพรบและดรอค รวมถึงถังเชื้อเพลิงสำรองที่ช่วยให้สามารถเติมเชื้อเพลิงให้กับเครื่องบินลำอื่น ได้ ^{[ 38 ] [ 52 ]}เริ่มให้บริการในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2490 ^{[ 53 ] [ 31 ]}แทนที่RB-57 Canberra

เมื่อวันที่ 6 พฤษภาคม พ.ศ. 2490 เครื่องบิน RF-101A ได้เข้าประจำการ โดยหน่วยแรกที่ใช้งานเครื่องบินประเภทนี้คือกองบินลาดตระเวนทางยุทธวิธีที่ 363ซึ่งประจำการอยู่ที่ฐานทัพอากาศ Shawรัฐเซาท์แคโรไลนา^{[ 54 ] [ 55 ]}เมื่อวันที่ 15 กรกฎาคม พ.ศ. 2491 กองบินลาดตระเวนทางยุทธวิธีที่ 363 ได้ส่งเครื่องบิน RF-101 จำนวน 8 ลำไปยังฐานทัพอากาศ Incirlikใน ช่วง วิกฤตการณ์เลบานอนปี พ.ศ. 2491เพื่อสนับสนุนการ ยกพลขึ้น บกของนาวิกโยธินในเบรุตเพื่อจัดตั้งกองกำลังโจมตีทางอากาศแบบผสมผสานร่วมกับเครื่องบินB-57 , RB-66 , C-124 , F-100และLockheed C-130 Hercules [ ^{56 ] ใน}ช่วงเดือนตุลาคม พ.ศ. 2505 เครื่องบิน RF-101A จากกองบินลาดตระเวนทางยุทธวิธีที่ 363 ได้ทำการบินลาดตระเวนเหนือคิวบาในช่วงวิกฤตการณ์ขีปนาวุธคิวบา^{[ 57 ]}กล่าวกันว่า ประสิทธิภาพของเครื่องบินเหนือคิวบาเน้นให้เห็นถึงข้อบกพร่องในฐานะเครื่องบินลาดตระเวน ซึ่งกระตุ้นให้มีการดัดแปลงหลายอย่างเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ^{[ 58 ]}เครื่องบิน RF-101A ของกองทัพอากาศสหรัฐฯ ทั้งหมดถูกปลดประจำการในช่วงปี 1971 ^{[ 59 ]}

ในช่วงเดือนตุลาคม พ.ศ. 2492 เครื่องบิน RF-101A จำนวน 8 ลำถูกโอนไปยังไต้หวันซึ่งใช้สำหรับการบินเหนือแผ่นดินใหญ่ของจีน^{[ 60 ] [ 61 ]}เครื่องบิน ROCAF RF-101A เหล่านี้ได้รับการดัดแปลงด้วยครีบแนวตั้งและช่องรับอากาศของ RF-101C ช่องรับอากาศนี้ใช้สำหรับระบายความร้อนให้กับช่องร่มชูชีพ และขจัดข้อจำกัด 5 นาทีในการใช้เครื่องเผาไหม้เพิ่มเติมของ RF-101A ^{[ 62 ]}มีรายงานว่าถูกยิงตก 2 ลำ

ในช่วงปลายทศวรรษ 1940 กองทัพอากาศสหรัฐฯ ได้เริ่มโครงการวิจัยเกี่ยวกับเครื่องบินสกัดกั้น ในอนาคต ซึ่งในที่สุดก็ได้กำหนดคุณสมบัติขั้นสูงที่เรียกว่าเครื่องบินสกัดกั้นปี 1954สัญญาสำหรับคุณสมบัตินี้ในที่สุดก็ส่งผลให้มีการเลือกConvair F-102 Delta Daggerแต่ในปี 1952 ก็เริ่มชัดเจนแล้วว่าชิ้นส่วนเพียงไม่กี่ชิ้นของคุณสมบัตินอกเหนือจากตัวเครื่องบินจะไม่พร้อมใช้งานในปี 1954 เครื่องยนต์ อาวุธ และระบบควบคุมการยิงทั้งหมดจะต้องใช้เวลานานเกินไปที่จะนำมาใช้งาน ดังนั้นจึงได้เริ่มความพยายามที่จะผลิตการออกแบบความเร็วเหนือเสียงชั่วคราวอย่างรวดเร็วเพื่อทดแทนเครื่องบินสกัดกั้นความเร็วต่ำกว่าเสียงต่างๆ ที่ใช้งานอยู่ในขณะนั้น และตัวเครื่องบิน F-101 ได้รับเลือกให้เป็นจุดเริ่มต้น^{[ 63 ]}

แม้ว่า McDonnell จะเสนอชื่อF-109สำหรับเครื่องบินใหม่ (ซึ่งถือเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญจาก Voodoo รุ่นพื้นฐาน) ^{[ 64 ]} แต่ กองทัพอากาศสหรัฐฯ ได้กำหนดชื่อเป็น F-101B ^{[ 65 ]}เครื่องบินรุ่นนี้ถูกนำไปใช้งานครั้งแรกเมื่อวันที่ 5 มกราคม 1959 โดยประจำการใน ฝูงบินขับ ไล่สกัดกั้นที่ 60 ^{[ 66 ]}การผลิตรุ่นนี้สิ้นสุดลงในเดือนมีนาคม 1961 ^{[ 67 ]} Voodoo มีห้องนักบินที่ได้รับการดัดแปลงให้สามารถบรรทุกลูกเรือได้สองคน โดยมีลำตัวส่วนหน้าขนาดใหญ่และโค้งมนมากขึ้นเพื่อรองรับเรดาร์ ควบคุมการยิง Hughes MG-13 ของ F-102 มีระบบเชื่อมโยงข้อมูลกับ ระบบ Semi-Automatic Ground Environment (SAGE) ทำให้เจ้าหน้าที่ควบคุมภาคพื้นดินสามารถบังคับเครื่องบินไปยังเป้าหมายได้โดยการปรับเปลี่ยนผ่านระบบนักบินอัตโนมัติของเครื่องบิน F-101B มีเครื่องยนต์ Pratt & Whitney J57-P-55 ที่ทรงพลังกว่า ทำให้เป็นเครื่องบิน Voodoo เพียงรุ่นเดียวที่ไม่ใช้เครื่องยนต์ −13 เครื่องยนต์ใหม่นี้มีระบบเผาไหม้เพิ่มเติมที่ยาวกว่า J57-P-13 อย่างมาก เพื่อหลีกเลี่ยงการออกแบบใหม่ครั้งใหญ่ ระบบเผาไหม้เพิ่มเติมที่ยาวขึ้นจึงได้รับอนุญาตให้ยื่นออกมาจากลำตัวเครื่องบินเกือบ 8 ฟุต (2.4 เมตร) เครื่องยนต์ที่ทรงพลังกว่าและการปรับปรุงด้านอากาศพลศาสตร์ทำให้ความเร็วเพิ่มขึ้นเป็น Mach 1.85 ^{[ 38 ]}   

เครื่องบิน F-101B ถูกถอดปืนใหญ่ M39 จำนวน 4 กระบอกออก และติดตั้งขีปนาวุธอากาศสู่อากาศ AIM-4 Falcon จำนวน 4 ลูกแทน โดยจัดเรียงไว้ด้านละ 2 ลูกบนแท่นหมุนในช่องเก็บอาวุธของลำตัวเครื่องบิน^{[ 38 ]} อาวุธเริ่มต้นประกอบด้วย ขีปนาวุธนำวิถีด้วยเรดาร์กึ่งแอคทีฟ GAR-1 (AIM-4A) จำนวน 2 ลูก และขีปนาวุธนำวิถีด้วย อินฟราเรด GAR-2 (AIM-4B) จำนวน 2 ลูกโดยบรรทุกไว้ด้านละ 1 ลูกบนแท่นหมุน^{[ 68 ]}หลังจากยิงขีปนาวุธ 2 ลูกแรกแล้ว ประตูจะพลิกกลับเพื่อเปิดเผยคู่ที่สอง การปฏิบัติมาตรฐานคือการยิงอาวุธเป็นคู่ SARH/IR เพื่อเพิ่มโอกาสในการโจมตีเป้าหมาย รุ่นที่ผลิตในภายหลังมีช่องสำหรับจรวดนิวเคลียร์ MB-1/AIR-2 Genie ขนาด 1.7 กิโลตัน 2 ลูกที่ด้านหนึ่งของแท่น พร้อมกับขีปนาวุธนำวิถีด้วยอินฟราเรด GAR-2A (AIM-4C) ที่อีกด้านหนึ่ง "โครงการ Kitty Car" ได้อัปเกรด F-101B รุ่นก่อนหน้าส่วนใหญ่ให้เป็นมาตรฐานนี้ตั้งแต่ปี 1961 ^{[ 40 ] [ 69 ]}

ระหว่างปี พ.ศ. 2506 ถึง พ.ศ. 2509 เครื่องบิน F-101B ได้รับการปรับปรุงภายใต้โครงการปรับปรุงเครื่องบินสกัดกั้น (IIP หรือที่รู้จักกันในชื่อ "โครงการ Bold Journey") โดยติดตั้งระบบควบคุมการยิงที่ได้รับการปรับปรุงเพื่อต่อต้านECM ของฝ่ายตรงข้าม และ ระบบ เล็งและติดตามด้วยอินฟราเรด (IRST) ที่ส่วนหัวแทนที่ท่อเติมเชื้อเพลิงกลางอากาศ^{[ 70 ]}

เครื่องบิน F-101B ผลิตในจำนวนมากกว่า F-101A และ F-101C โดยมีการส่งมอบทั้งหมด 479 ลำเมื่อสิ้นสุดการผลิตในปี 1961 ^{[ 71 ] [ 67 ]}ส่วนใหญ่ถูกส่งมอบให้กับกองบัญชาการป้องกันภัยทางอากาศ (ADC) ตั้งแต่เดือนมกราคม 1959 ^{[ 66 ]}ลูกค้าต่างประเทศเพียงรายเดียวสำหรับ F-101B คือแคนาดา ซึ่งเรียกกันในท้องถิ่นว่าCF-101 Voodoo ^{[ 72 ]}

เครื่องบิน F-101B ถูกถอนออกจากบริการ ADC ระหว่างปี 1968 ถึง 1971 โดยเครื่องบิน USAF ที่เหลืออยู่จำนวนมากถูกโอนไปยังกองกำลังพิทักษ์ทางอากาศแห่งชาติ (แทนที่ F-102) และให้บริการจนถึงปี 1982 ^{[ 73 ]}เครื่องบิน Voodoo ลำสุดท้ายที่ให้บริการในสหรัฐอเมริกาถูกบินเมื่อวันที่ 14 เมษายน 1983 โดยพันโท แดเนียล เบิร์ชฟิลด์ ผู้อำนวยการฝ่ายปฏิบัติการ กองบินทดสอบที่ 475 ฐานทัพอากาศไทน์ดัล รัฐฟลอริดา

เครื่องบินขับไล่ทิ้งระเบิด F-101A ได้รับการยอมรับเข้าประจำการในกองทัพอากาศยุทธวิธี (TAC) แม้จะมีปัญหาอยู่หลายประการ หนึ่งในนั้นคือโครงสร้างลำตัวเครื่องบินพิสูจน์แล้วว่าสามารถทนต่อ แรง G ได้เพียง 6.33 (62  m/s²) เท่านั้น แทนที่จะเป็น 7.33 g (72  m/s²) ตามที่ตั้งใจไว้ ^{[ 34 ] [ 29 ]}รุ่นปรับปรุงใหม่ F-101C ถูกนำมาใช้ในปี 1957 โดยมีโครงสร้างที่หนักขึ้น 500  ปอนด์ (227  กิโลกรัม) เพื่อให้สามารถ ทำการบินด้วยแรง G 7.33 ได้ รวมถึงระบบเชื้อเพลิงที่ได้รับการปรับปรุงเพื่อเพิ่มระยะเวลาการบินสูงสุดในโหมดหลังเผาไหม้^{[ 74 ]}เช่นเดียวกับ F-101A มันยังติดตั้งเสาใต้ลำตัวสำหรับบรรทุกอาวุธนิวเคลียร์ รวมถึงจุดยึด สองจุด สำหรับถังเชื้อเพลิงสำรองขนาด450 แกลลอนสหรัฐ (1,700 ลิตร) ^{[ 38 ]}มีการผลิต F101C ทั้งหมด 47 ลำ^{[ 74 ] [ 45 ]} 

เดิมทีเครื่องบินลำนี้ ประจำการอยู่ที่ กองบินขับไล่ทางยุทธวิธีที่ 27ณฐานทัพอากาศเบิร์กสตรอม รัฐเท็กซัส ต่อมาในปี 1958 เครื่องบินลำนี้ถูกโอนย้ายจาก TAC ไปยัง กองบินขับไล่ทางยุทธวิธีที่ 81 ซึ่ง เป็นส่วนหนึ่งของกองทัพอากาศสหรัฐในยุโรป (USAFE) ซึ่งปฏิบัติการโดยฝูงบิน 3 ฝูงจากฐานทัพอากาศคู่ของ RAF คือBentwaters และ Woodbridge [ ^{75 ] ฝูงบิน}ขับไล่ทางยุทธวิธีที่ 78 ประจำการอยู่ที่ Woodbridge ในขณะที่ฝูงบินที่ 91 และ 92 ประจำการอยู่ที่ Bentwaters กองบินขับไล่ทางยุทธวิธีที่ 81 ทำหน้าที่เป็นกองกำลังป้องปรามทางนิวเคลียร์เชิงยุทธศาสตร์ โดยระยะทำการไกลของเครื่องบิน Voodoo ทำให้สามารถโจมตีประเทศใน กลุ่ม สนธิสัญญาวอร์ซอ เกือบทั้งหมด และเป้าหมายที่ อยู่ลึกเข้าไปในสหภาพโซเวียตได้ถึง500 ไมล์ (800 กิโลเมตร) 

เครื่องบินรุ่น A และ C ทั้งสองรุ่นถูกจัดสรรให้กับกองบินขับไล่ที่ 81 (81st TFW) และถูกใช้งานสลับกันไปมาภายในสามฝูงบิน เครื่องบิน F-101A/C ที่ใช้งานจริงได้รับการอัพเกรดในระหว่างการใช้งานด้วย อุปกรณ์ Low Angle Drogued Delivery (LADD) และ Low Altitude Bombing System (LABS) สำหรับภารกิจหลักในการส่งมอบอาวุธนิวเคลียร์ในระดับความสูงต่ำมาก นักบินได้รับการฝึกฝนสำหรับภารกิจความเร็วสูงระดับต่ำเข้าไปในดินแดนของสหภาพโซเวียตหรือกลุ่มประเทศตะวันออก โดยมีเป้าหมายหลักคือสนามบิน ภารกิจเหล่านี้คาดว่าจะเป็นภารกิจเที่ยวเดียว โดยนักบินจะต้องดีดตัวออกจากเครื่องบินหลังแนวรบของสหภาพโซเวียต^{[ 74 ]}

เครื่องบิน F-101C ไม่เคยเข้าสู่การรบและถูกแทนที่ด้วย F-4C Phantom II ในปี 1966 [ 21 ^{]ต่อมา}เครื่องบินจำนวน 32 ลำถูกดัดแปลงเพื่อใช้ในภารกิจลาดตระเวนแบบไม่มีอาวุธ โดยใช้ ชื่อ RF-101Hและประจำการอยู่ในหน่วย Air National Guard จนถึงปี 1972 ^{[ 21 ] [ 76 ]}

โดยใช้โครงสร้างลำตัวที่เสริมความแข็งแรงของ F-101C เครื่องบิน RF-101C บินครั้งแรกเมื่อวันที่ 12 กรกฎาคม พ.ศ. 2490 ^{[ 21 ]}เข้าประจำการในปี พ.ศ. 2491 เช่นเดียวกับ RF-101A เครื่องบิน RF-101C มีกล้องมากถึงหกตัวแทนที่เรดาร์และปืนใหญ่ในส่วนหัวที่ปรับรูปทรงใหม่ และยังคงความสามารถในการทิ้งระเบิดของรุ่นเครื่องบินขับไล่ทิ้งระเบิด^{[ 77 ]}เนื่องจากมีจุดประสงค์ที่จะบินโดยไม่มีอาวุธ จึงมีการรวมระบบป้องกันแบบพาสซีฟต่างๆ เข้าไว้ด้วย รวมถึงเครื่องรับสัญญาณเตือนเรดาร์ AN /APS-54 ^{[ 78 ]}เครื่องบินลำนี้ขาดความสามารถในการบินในทุกสภาพอากาศอย่างแท้จริง เนื่องจากกองทัพอากาศสหรัฐฯ เลือกที่จะยกเลิกระบบนำทางอิเล็กทรอนิกส์ AN/APN-82 ที่วางแผนไว้สำหรับเครื่องบินลำนี้^{[ 79 ]}มีการสร้าง RF-101C จำนวน 166 ลำ รวมถึง 96 ลำที่เดิมทีวางแผนไว้สำหรับเครื่องบินขับไล่ทิ้งระเบิด F-101C ^{[ 49 ]}

เมื่อวันที่ 27 พฤศจิกายน พ.ศ. 2490 ระหว่างปฏิบัติการซันรัน เครื่องบิน RF-101C ที่ขับโดยกัปตันโรเบิร์ต สวีท ในขณะนั้น ได้สร้างสถิติการบินจากลอสแอนเจลิสไปนิวยอร์กซิตี้และกลับมาลอสแอนเจลิสในเวลา 6 ชั่วโมง 46 นาที และสถิติการบินจากนิวยอร์กไปลอสแอนเจลิสในเวลา 3 ชั่วโมง 36 นาที เครื่องบิน RF-101C อีกเครื่องหนึ่งที่ขับโดยร้อยโทกุสตาฟ คลัตต์ ในขณะนั้น ได้สร้างสถิติการบินจากลอสแอนเจลิสไปนิวยอร์กในเวลา 3 ชั่วโมง 7 นาที^{[ 42 ]}

เครื่องบิน RF-101C ได้เข้าประจำการในช่วงวิกฤตการณ์ขีปนาวุธคิวบา และในไม่ช้าก็เข้าประจำการร่วมกับเครื่องบินNorth American F-100 Super Sabres ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2504 เมื่อเครื่องบิน RF-101 จากกองบินลาดตระเวนทางยุทธวิธีที่ 67 ถูกส่งไป ประจำการในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ทำการบินลาดตระเวนเหนือลาวและเวียดนาม^{[ 80 ]}การปฏิบัติการในพื้นที่นี้ทำให้เห็นถึงความจำเป็นในการลาดตระเวนในเวลากลางคืน ซึ่งเครื่องบินรุ่นนี้ไม่ได้ติดตั้งอุปกรณ์ดังกล่าวมาตั้งแต่แรก^{[ 81 ]}โครงการ "Toy Tiger" ในปี พ.ศ. 2507 ได้ติดตั้งชุดกล้องใหม่และช่องใส่แฟลชถ่ายภาพไว้ตรงกลางลำตัวให้กับเครื่องบิน RF-101C บางลำ บางลำได้รับการอัพเกรดเพิ่มเติมภายใต้โครงการ Mod 1181 ด้วยระบบควบคุมอัตโนมัติสำหรับกล้อง เจ้าหน้าที่บางส่วนยังคงไม่พอใจกับความสามารถในการถ่ายภาพในเวลากลางคืนของ RF-101C ^{[ 82 ] [ 83 ]}

The RF-101C acted as pathfinders for F-100 bombers during early strikes in the theatre.^[84] The RF-101C sustained losses during the conflict, the first loss to enemy ground fire was recorded in November 1964, although close calls occurred as early as 14 August 1962; North Vietnamese air defenses became increasingly effective over time.^[85][86] From 1965 through November 1970, its role was gradually taken over by the RF-4C Phantom II. In some 35,000 sorties, 39 aircraft were lost, 33 in combat,^[87][88] including 5 to SAMs, 1 to an airfield attack, and 1 in air combat to a MiG-21 in September 1967. The RF-101C's speed made it largely immune to MiG interception. 27 of the combat losses occurred on reconnaissance missions over North Vietnam. In April 1967, ALQ-71 ECM pods were fitted to provide some protection against SAMs. Although the Voodoo could again operate at medium altitudes, the added drag and weight decreased the RF-101's speed enough to be vulnerable to the maneuverable (and cannon-equipped) MiGs and thus require fighter escort.

After its withdrawal from Vietnam, the RF-101C continued to serve with USAF units through 1979. In service, the RF-101C was nicknamed the "Long Bird"; it was the only version of the Voodoo to see combat.^[89]

In total 166 were built.^[2]

Some of the F-101Bs were completed as dual-control operational trainer aircraft initially dubbed TF-101B, but later redesignated F-101F. Seventy-nine new-build F-101Fs were manufactured, and 152 more existing aircraft were later modified with dual controls. Ten of these were supplied to Canada under the designation CF-101F. These were later replaced with 10 updated aircraft in 1971.

In the early 1970s, a batch of 22 former RCAF CF-101Bs was delivered to the USAF and converted into RF-101B reconnaissance aircraft, each aircraft had its radar and weapons bay replaced with a set of three KS-87B cameras and two AXQ-2 TV cameras. An in-flight refueling boom receptacle was also installed. These aircraft served with the 192d Tactical Reconnaissance Squadron of the Nevada Air National Guard through 1975. They proved to be relatively expensive to operate and maintain and had a short service life.