В мае 1956 года начались испытания разведывательного варианта истребителя F-101, получившего обозначение RF-101A. В удлиненном носовом обтекателе вместо пушек устанавливалось несколько фотокамер. Внутренний запас топлива был дополнен двумя небольшими крыльевыми баками. При этом самолеты сохранили возможность нести бомбовую нагрузку, в том числе одну атомную бомбу.

Разведчик RF-101A довольно долго находился на вооружении и принимал участие в боевых действиях в Юго-Восточной Азии. С появлением варианта F-101C, имевшего усиленную конструкцию, на его основе начался выпуск разведчиков RF-101C. Всего было построено 200 самолетов RF-101 в обоих вариантах.

В начале шестидесятых годов была проведена модернизация разведывательного оборудования с установкой фотокамер высокого разрешения и контейнеров с осветительными бомбами. Во время войны во Вьетнаме разведчики понесли ощутимые потери, так как действовали преимущественно в одиночку. А с появлением в небе Вьетнама советских истребителей МиГ-21 вместо RF-101 для разведки стали использовать RF-4 Phantom.

Разведчики RF-101 оставались на службе до 1971 года, после чего их передали на вооружение национальной гвардии. Специально для национальной гвардии в разведчики RF-101 было переоборудовано еще около 60 истребителей F-101.