В начале пятидесятых годов Министерство обороны США решило заказать истребитель-бомбардировщик, способный нести ядерное оружие и совершать полет на малых высотах для прорыва ПВО. Фирма Republic 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.

Самолет получил стреловидное среднерасположенное крыло тонкого профиля с воздухозаборниками в корневой части крыла. Основные стойки шасси убирались в крыло. Самолет вооружили шестиствольной 20-мм пушкой T-171D. Основной полезной нагрузкой являлась атомная бомба, размещавшаяся во внутреннем бомбоотсеке. Кроме этого, самолет мог нести топливные баки или бомбы на пяти точках внешней подвески.

На серийные самолеты предполагалось установить новейшие двигатели Pratt & Whitney J75 с тягой на форсаже 11350кгс. Но этот двигатель еще не прошел испытания и прототип оснастили двигателем Pratt & Whitney J57 тягой всего 6800кгс. Облет первого прототипа выполнили в октябре 1955 года. От других самолетов его отличали необычные с выступающими вперед внешними кромками воздухозаборники. Такие воздухозаборники эффективнее работали на околозвуковых скоростях и повышали устойчивость самолета на сверхзвуковых скоростях улучшая характер обтекания задней части фюзеляжа и оперения.

Третий прототип достроили в варианте F-105B с двигателем J75. Фюзеляж был доработан для соблюдения "правила площадей". Первый полет в мае 1956 года завершился аварийной посадкой из-за невыпуска шасси. Испытания продолжались весь следующий год, а серийные F-105B начали поступать в ВВС США в августе 1958 года. Всего было выпущено 75 самолетов.

Основной серийной моделью самолета Thunderchief был истребитель-бомбардировщик F-105D. Этот вариант получил новое оборудование, включающей импульсный радар NASARR R-14A и допплеровскую систему навигации, что обеспечивало действия при любых погодных условиях. Самолет начал поступать в ВВС США в мае 1960 года и прекрасно проявил себя во время Вьетнамской войны. Всего было построено более 600 бомбардировщиков F-105D.

В 1962 году ВВС США заказали 143 двухместных учебно-боевых самолета F-105F. Этот вариант машины был оснащен двойным управлением и полным набором боевого оборудования. Для размещения двухместной кабины фюзеляж самолета был несколько удлинен. Хотя F-105F предназначался для тренировок пилотов, многие из этих истребителей-бомбардировщиков использовались в боевых действиях во Вьетнаме.

Применение противником во Вьетнаме управляемых ракет "земля-воздух" советского производства заставило ВВС США заказать компании Republic партию машин F-105G, оснащенных аппаратурой радиоэлектронного подавления. Эти машины строились на базе двухместного F-105F и оснащались подвесными контейнерами с радиолокационной аппаратурой наведения и оповещения, устройствами постановки помех и приборами обнаружения ракетных пусковых установок. Самолет мог нести противорадиолокационные управляемые ракеты AGM-45 Strike. Дополнительно, часть F-105F тоже была переоборудована в самолеты радиоэлектронного подавления.

Самолеты F-105 использовались до 1973 года, после чего были переданы воздушным силам Национальной гвардии США и состояли на вооружении до 1984 года.