В конце сороковых годов военно-морской флот США испытывал острую потребность в скоростном и высотном палубном перехватчике. Самолет Chance Vought F7U Cutlass, на который возлагались большие надежды, оказался чрезмерно сложным в пилотировании и повышенно аварийным. Необходимо было создать ему замену - достаточно легкий самолет с трансзвуковой скоростью, высокой тяговооруженностью и низкой удельной нагрузкой на крыло. Всем этим требованиям удовлетворял проект талантливого конструктора компании Dougals Эда Хейнеманна, проигравший в конкурсе истребителю F7U. Перехватчик, проект которого был сначала отвергнут флотом, был значительно проще, имел меньший вес и более развитую механизацию крыла, включавшую закрылки и автоматические предкрылки.

Формальным поводом к отказу от этого проекта послужил тот факт, что он рассчитывался под двигатель, менее доработанный, чем двигатель для F7U. Теперь же флот подписал контракт на постройку двух прототипов самолета XF4D. Для своего самолета Хейнеманн выбрал схему бесхвостка с новаторским оживальным крылом. Принятая форма крыла явилась компромиссом, позволившим достичь высокой максимальной скорости и вместе с тем сохранить в допустимых пределах скорость посадочную. В качестве силовой установки был выбран перспективный двигатель J-40 фирмы Westinghouse. Но этот двигатель не был готов в срок и на прототип установили гораздо менее мощный, но уже хорошо зарекомендовавший себя двигатель Allison J-35. С ним самолет и совершил первый полет в январе 1951 года.

Несмотря на слабый двигатель, характеристики самолета выглядели настолько привлекательно, что была заказана начальная партия из 12 машин. А уже в апреле 1952 года заказ возрос до 230 самолетов, получивших официальное название Skyray.

С двигателем Allison перехватчик прошел лишь взлетно-посадочные испытания. Специалистам фирмы доставила много неприятностей новая бустерная система управления с изменяемым в зависимости от воздушной скорости законом управления. Оптимальные углы отклонения элевонов на различных режимах полета были определены опытным путем. Только в сентябре 1953 года был получен долгожданный двигатель Westinghouse J-40WE-8. По части авиационных рекордов в США первенство всегда держали ВВС и теперь Флот впервые получил в свое распоряжение самолет, способный поставить официальный рекорд скорости. Рекордный полет состоялся 3 октября 1953 года.

Однако последующие испытания показали, что для боевой машины этот двигатель не подходит: он был весьма ненадежен, склонен к помпажу, а тепловой режим турбины столь напряженным, что каждое включение форсажа грозило пожаром двигателя. Проект опять оказался под угрозой срыва и было принято решение установить на самолет проверенный и надежный двигатель Pratt Whitney J57. Поставки самолета в ВМС США начались в конце 1953 года. Самолет показал себя послушным в управлении, безопасным при взлете и посадке, высокоманевренным на любых высотах. Динамика бесхвостой схемы была непривычной для пилотов, но они быстро привыкли к поведению самолета. Благодаря сочетанию доведенной до совершенства конструкции планера и надежного двигателя, уровень летных происшествий с этим самолетам оказался рекордно низок. Но техники поначалу прорывали обувью отверстия в непривычно тонкой "безмоментной" обшивке крыла.

Вооружение F4D стало отражением тенденций в истребительной авиации США. Самолет оснащался четырьмя 20-мм пушками Temco-Ford M-12, но боезапас составлял всего 70 снарядов на ствол. Под четырьмя из семи узлов внешней подвески размещались блоки 70-мм НАР для поражения воздушных целей, а система управления огнем была сопряжена с бортовым радиолокатором и включала в себя баллистический вычислитель. Система позволяла выходить на рубеж перехвата и производить залп в автоматическом режиме. Кроме того, под двумя узлами внешней подвески размещались новейшие управляемые ракеты "воздух-воздух" AIM-9B Sidewinder.

В 1962 году с переходом на новую систему обозначений самолет получил обозначение F-6A. Ко второй половине шестидесятых годов самолет морально устарел и стал выводиться из частей первой линии и с авианосцев. Его сменили истребители F-4 Phantom. Самолету Skyray не довелось повоевать, но он заслужил добрую славу одного из самых надежных и простых "палубников".