В начале пятидесятых годов в министерстве обороны США решили, что на вооружении ВВС, в дополнение к уже состоящим на вооружении истребителям, необходимо иметь еще и более тяжелый истребитель-бомбардировщик, способный нести ядерное оружие совершать полет на малых высотах для прорыва ПВО. Фирма «Рипаблик» приступила к разработке подобного самолета в 1951 году в инициативном порядке. Контракт на его разработку был подписан только в 1954 году. К тому времени уже были почти готовы два первых опытных образца нового самолета - YF-105А Thunderchief.
Облет первого из них произвели 22 октября 1955 года, а менее чем через три года начались поставки нового самолета в ВВС США. От остальных самолетов его отличали необычные, расположенные по бокам фюзеляжа и с выступающими далеко вперед (как зубья) внешними кромками воздухозаборники. Спрофилированные таким образом они не только увеличивали тягу двигателей, но и повышали устойчивость на самолета на сверхзвуковых скоростях. Их заостренные, выступающие вперед кромки «создавали» систему скачков уплотнения меньшей интенсивности и улучшали характер обтекания задней части фюзеляжа и оперения.