具備核攻擊能力的戰鬥轟炸型。1956年1月24日，F－100D原型機（生產序號：54…2121）首次試飛。至停產時為止，該型機共生產1274架，佔F－100總產量的50％，是F－100最重要的一個改型。
該機實際上是C型的改進型，北美一共提出了4個改進方案，公司編號分別是NA－223、NA－224、NA－235和NA－245。
單機飛行的F…100D 在外觀上，該機仍保留C型的6個翼下掛架，但採用改進的彈射投放方式，而非原來的利用重力自由投放方式。垂尾和方向舵面積加大，其後緣上部的方形整流罩也加大，以容納雷達告警接收機天線和應急放油管。
F－100D的改進主要體現在航電裝置上。該機裝備了明尼珀利斯－霍尼韋爾公司研製的MB？3自動駕駛儀，從而成為第一種裝備自動駕駛儀的超音速飛機。MB－3的引入大大降低了飛行員的工作負荷，使得飛行員的雙手可以解放出來查閱導航圖或者進行武器瞄準，而飛機則在MB－3的控制下繼續飛向目標。但該系統只能在單機飛行時使用，當F－100D編隊飛行時，MB－3通常是關閉的。其它航電系統包括：AN/APG…30火控雷達；，AN/AJB…1 AN/AJB…1低空轟炸系統（LABS，經過改進，可以用於投放核炸彈），AN/AAR…4紅外搜尋系統，AN/ALR…45雷達告警接收機，AN/ALE…2箔條撒佈器，以及導航和通訊裝置等。
進行核打擊時，F－100D可以攜帶MK…7、MK…38、MK…43、Mk 28 EX、Mk 28 RE、TX…43、TX…43 X1等多型核炸彈（通常掛載左翼掛點和機身中線掛點），爆炸威力從1000噸至1000萬噸TNT當量不等。投彈方式主要採用“上仰投彈”（也就是俗稱的“甩投”），利用AN/AJB－1LABS和A－4陀螺瞄準具交聯，進行瞄準並計算投放點。在典型的攻擊任務中，F－100D從超低空以900公里/時的速度突防，接近目標後以4G的過載拉起做一個半斤斗，在這過程中計算機自動計算並投放核彈，飛機到達斤斗頂點時做半滾改平，然後高速脫離，以便逃出核彈的破壞半徑。＇5＇
QF…100D
無人駕駛靶機。由退役的F－100D改裝而來，拆除全部軍械繫統，用於對空武器測試。共改裝218架。
F…100F
串列雙座教練型，F－100最後一種生產型。該機於1957年3月7日首次試飛。至1959年停產，共生產339架。 雖然是教練機，但F－100F仍然保留了對空作戰能力和對地攻擊能力，但載彈量有所減少，航炮也減為2門。後來部分F－100F經改裝，專用於攻擊面對空導彈陣地和具有雷達火控系統的高炮陣地，這批飛機被稱作“野鼬鼠Ｉ”。
QF…100F
無人駕駛靶機。由F－100F改裝的無人駕駛靶機。
當最後一架 F…100F 雙座機交付後，超配刀的生產歷史也隨之結束，超配刀的生產總數最後達到 2；294 架，其中哥倫布工廠生產359 架。
F…100J
F…100J是根據對外軍援計劃為日本提供的全天候截擊機，但日本政府對此不感興趣，因此就停留在了設想階段。
F…100K
F…100K 是F…100F 換裝 J57…P…55 發動機後的型號，從未生產。
F…100L
F…100L 是F…100D 換裝 J57…P…55 發動機後的型號，從未生產。
F…100N
F…100N是F…100D 的簡化型，安裝簡化的電子系統後提供給北約成員國，但未能獲得訂單。
F…100S
F…100S是指1964年提出的安裝羅爾斯…羅伊斯（Rolls…Royce）公司 RB。168…25R 斯貝渦扇發動機的 F…100F，計劃在法國建立生產線生產 200 架 F…100S，但未實現。
服役歷程
速度競賽
自YF－100A成功首飛之後，美國空軍又將其用於創造世界飛行速度紀錄。當時的速度紀錄由海軍的XF4D…1“天光”保持著。YF－100A首次衝擊飛行速度紀錄的嘗試在傳統的3公里航段上進行，儘管確實超過了XF4D