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 เครื่องบินรุ่นนี้มีระบบเติมเชื้อเพลิง กลางอากาศทั้งแบบบูมบินและแบบโพรบและดรอค 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 ]}

เครื่องบิน RF-101C ทำหน้าที่เป็นเครื่องบินนำทางให้กับเครื่องบินทิ้งระเบิด F-100 ในช่วงการโจมตีครั้งแรกในสมรภูมิ^{[ 84 ]}เครื่องบิน RF-101C ประสบความสูญเสียในระหว่างความขัดแย้ง โดยการสูญเสียครั้งแรกจากการยิงภาคพื้นดินของศัตรูเกิดขึ้นในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2507 แม้ว่าจะเกือบถูกโจมตีตั้งแต่ 14 สิงหาคม พ.ศ. 2505 ระบบป้องกันภัยทางอากาศของเวียดนามเหนือมีประสิทธิภาพมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเวลาผ่านไป^{[ 85 ] [ 86 ]}ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2508 ถึงเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2513 บทบาทของมันค่อยๆ ถูกแทนที่โดยเครื่องบิน RF-4C Phantom II ในการบินประมาณ 35,000 เที่ยวบิน มีเครื่องบินสูญหาย 39 ลำ 33 ลำในการต่อสู้^{[ 87 ] [ 88 ]}รวมถึง 5 ลำจาก ขีปนาวุธต่อต้าน อากาศยาน (SAM) 1 ลำจากการโจมตีสนามบิน และ 1 ลำในการต่อสู้ทางอากาศกับเครื่องบินMiG-21ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2510 ความเร็วของ RF-101C ทำให้มันแทบจะไม่ถูกสกัดกั้นโดย MiG การสูญเสียในการรบ 27 ครั้ง เกิดขึ้นในภารกิจลาดตระเวนเหนือเวียดนามเหนือ ในเดือนเมษายน ปี 1967 ได้มีการติดตั้งพ็อด ECM ALQ-71 เพื่อป้องกันขีปนาวุธต่อต้านอากาศยาน (SAM) แม้ว่าเครื่องบิน Voodoo จะสามารถปฏิบัติการในระดับความสูงปานกลางได้อีกครั้ง แต่แรงต้านและน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นทำให้ความเร็วของ RF-101 ลดลงจนเสี่ยงต่อการถูกโจมตีจากเครื่องบิน MiG ที่คล่องตัว (และติดตั้งปืนใหญ่) จึงจำเป็นต้องมีเครื่องบินขับไล่คุ้มกัน

หลังจากถอนกำลังออกจากเวียดนาม RF-101C ยังคงประจำการอยู่ในหน่วยของกองทัพอากาศสหรัฐฯ จนถึงปี 1979 ในระหว่างการใช้งาน RF-101C ได้รับฉายาว่า "Long Bird" ซึ่งเป็นรุ่นเดียวของ Voodoo ที่ได้เข้าร่วมการรบ^{[ 89 ]}

สร้างทั้งหมด 166 หลัง^{[ 2 ]}

เครื่องบิน F-101B บางลำถูกสร้างเสร็จสมบูรณ์ในฐานะเครื่องบินฝึก ปฏิบัติการแบบควบคุมสองทาง โดยในตอนแรกเรียกว่า TF-101Bแต่ต่อมาได้เปลี่ยนชื่อเป็นF-101Fมีการผลิตเครื่องบิน F-101F รุ่นใหม่จำนวน 79 ลำ และต่อมาได้ดัดแปลงเครื่องบินที่มีอยู่เดิมอีก 152 ลำให้มีระบบควบคุมสองทาง ในจำนวนนี้ 10 ลำถูกส่งมอบให้กับแคนาดาภายใต้ชื่อCF-101Fต่อมาได้ถูกแทนที่ด้วยเครื่องบินรุ่นใหม่ที่ได้รับการปรับปรุงอีก 10 ลำในปี 1971

ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 เครื่องบิน CF-101B จำนวน 22 ลำจากกองทัพอากาศแคนาดา (RCAF) ถูกส่งมอบให้กับกองทัพอากาศสหรัฐฯ (USAF) และดัดแปลงเป็น เครื่องบินลาดตระเวน RF-101Bโดยแต่ละลำได้เปลี่ยนเรดาร์และช่องเก็บอาวุธเป็นกล้อง KS-87B จำนวน 3 ตัว และกล้องโทรทัศน์ AXQ-2 จำนวน 2 ตัว นอกจากนี้ยังติดตั้งอุปกรณ์สำหรับเติมเชื้อเพลิงกลางอากาศด้วย เครื่องบินเหล่านี้ประจำการอยู่ในฝูงบินลาดตระเวนทางยุทธวิธีที่ 192ของกองกำลังพิทักษ์อากาศแห่งรัฐเนวาดาจนถึงปี 1975 ปรากฏว่าเครื่องบินเหล่านี้มีค่าใช้จ่ายในการใช้งานและบำรุงรักษาค่อนข้างสูง และมีอายุการใช้งานสั้น