Перехватчик F-102A считался переходным типом и после выпуска небольшого количества этих самолетов предполагалось заменить их вторым вариантом F-102B с более мощным двигателем Write J-67 и системой наведения MX-1179 (MA-1) компании Hughes. Однако проблемы с аэродинамикой F-102A и задержки с разработкой системы управления MX-1179 привели к тому, что в 1955 году акценты были смещены в пользу F-102A и заказ на них был увеличен до 749 машин, в то время как на F-102B поступил только предварительный заказ на 17 самолетов.

В ходе работ по F-102B конструкторское бюро Convair, учитывая тяжелые уроки F-102A, пришло к решению создать практически другую машину, сохранив только базовую компоновку. Из-за задержки с двигателем Write J-67, пришлось оборудовать самолет двигателем Pratt Whitney J-75, который являлся развитием J-57 с F-102A. В результате появился самолет похожий на первый Delta Dagger, но с более аэродинамически чистыми линиями. Самолет, получивший собственное название F-106 Delta Dart, отличался от F-102 сглаженными контурами фюзеляжа с учетом правила площадей, без бульбообразных обтекателей в хвостовой част фюзеляжа, с килем меньшего размера и новыми воздухозаборниками. Так же как на F-102A, ракеты размещались в отсеке вооружения в центральной части фюзеляжа. Типичной нагрузкой были одна ядерная ракета Douglas AIR-2 Genie и четыре управляемых ракеты Hughes AIM-4 Falcon с полуактивными радиолокационными или тепловыми головками самонаведения.

Первый полет опытного F-106A состоялся 26 декабря 1956 года. Испытания и доработки самолета затягивались из-за проблем с двигателем и задержками в разработке электронной системы управления. Это привело к сокращению заказов на самолет.

Первые Delta Dart поступили на вооружение в мае 1959 года и уже в июне продемонстрировали свои высокие боевые возможности, когда пять истребителей провели одновременный успешный перехват воздушных целей. В декабре 1959 года самолет поставил абсолютный рекорд скорости 2455.3км/ч, который продержался три года.

Для обучения пилотов был создан двухместный тренировочный вариант самолета, получивший сначала обозначение TF-106A. Однако ВВС потребовали, чтобы двухместный вариант получил все боевые возможности F-106A, и в связи с этим название изменили на F-106B. Этот вариант мало отличался от F-106A, но был несколько длинней. Запас топлива был немного сокращен, чтобы освободить место для второй кабины.

Выпуск обоих вариантов самолета завершился в декабре 1960 года. К тому времени были выпущены 277 F-106A и 63 F-106В. Параллельная доводка и производство привело к значительному отличию самолетов первых и последних серий. Для устранения этих различий и повышения боевых возможностей самолета была проведена серия модернизаций.

Наиболее серьезные трудности были связаны с электронной системой управления огнем МА-1, которая требовала большого внимания наземного персонала. Доработки позволили увеличить дальность обнаружения и захвата цели, повысили надежность системы. Дополнительно был установлен теплопеленгатор и система тактической аэронавигации TACAN. В тоже время была установлена система дозаправки топливом в полете.

Целью еще одной программы модернизации самолетов F-106 было обеспечение возможности ведения воздушного боя с истребителями противника. Перехватчик получил пушку Vulcan и управляемый компьютером прицел. Кроме этого, были установлены системы РЭБ и предупреждения об облучении локатором. К этому времени на вооружении оставалось уже меньше 250 машин этого типа.

Уже с 1967 года началось сокращение количества этих самолетов в частях ПВО, а с 1972 года перехватчиками F-106 начали постепенно вооружать части национальной гвардии. По мере перехода частей на новые машины F-15 и F-16, истребители Delta Dart переводились в центр долговременного хранения. Последний самолет был сдан в 1989 году. Таким образом, самолет оставался на службе в течении 30 лет.

Как и его предшественник F-102, перехватчик F-106 закончил свою карьеру в качестве летающей мишени. Всего в беспилотные мишени QF-106 были переделаны 180 машин, последние из которых еще использовались летом 1994 года.