到 1964 年春，已有 AiResearch、AVCO、本迪克斯、柯林斯无线电、达尔莫·维克多、通用电气、汉米尔顿·标准、利顿系统、麦克唐纳、德州仪器和另外的 7 个分包商参与了 F-111 计划。F-111B 的“不死鸟”导弹的联合主合同被授予休斯公司。在 F-111 项目中，这些主要分包商与 44 个州的至少 6,703 家供应商产生了业务。TFX 计划变成了一个接近理想状态的武器研制计划——每个选举区至少有一个承包商。
首架用于试飞的 F-111A（63-9766）于 1964 年 10 月 15 日在通用动力沃斯堡德克萨斯工厂下线。这是麦克纳马拉决定将美国空军和海军项目合并之后的第 37 个月，也是项目正式启动之后的第 22 个月，比计划提前了两周。这架 F-111A 安装了两台 YTF30-P-1 涡扇发动机。由于救生舱还在研制中，所以该机安装了两个传统的弹射座椅。
首架用于试飞的 F-111A（63-9766）在沃斯堡举行了盛大的交付仪式
1964 年 12 月 21 日 63-9766 在德克萨斯州卡斯韦尔空军基地进行了首飞，试飞员是迪克·约翰逊和沃·普拉尔。由于襟翼故障试飞仅持续 22 分钟，但总体上还令人满意。在 1965 年 1 月 6 日的第二次试飞中，该机测试了机翼从最小 16 度到最大 72.5 度位置的变化。在最初的试飞中，这架 F-111A 最大速度达到 1.3M。1965 年 2 月 25 日第二架 F-111A 也进行了首飞。
试飞中的 F-111A（63-9766）F-111A 在飞行中的后掠翼变化情况
1965 年由于单机成本从 450 万美元上涨到 630 万美元，导致国防部大大削减采购数量。1965 年 4 月 12 日国防部与通用动力签订了 431 架生产型飞机的合同，这比原计划削减了 50%。11 架生产型 F-111A 加入了广泛的试飞和工程发展项目。
F-111A 试飞机 63-9773F-111A 试飞机 63-9770
1967 年 1 月 19 日，第 9 架（63-9775）飞机在爱德华兹空军基地附近坠毁。由于机翼意外向错误的方向变化，飞机迫降在长度不足的跑道上失败而坠毁。
第 11 架 F-111A（63-9777）是第一架安装救生舱的飞机。
F-111A 的座舱布局
1965 年 7 月 20 日普惠 TF30-P-1 首次在一架 F-111A 上进行了试飞，首批 30 架 F-111A 安装了该发动机。TF30-P-1 频繁出现压缩机失速，特别是在高速大迎角状态。为此普惠设计了 8,389 千克静态推力的改进型TF30-P-3 发动机和新的加大面积的“三重犁 I”可变几何形状进气口。首批 30 架 F-111A 中的一部分换装了新发动机，但并没有完全解决失速问题，仅有有些改善。在最终设计出适合的进气口之前 GD 还要进行多年的艰苦工作并进行不断的修修补补。
TF30 结构图
第 4 架生产型飞机开始引入了可动翼下挂架，从第 11 架生产型开始在内置弹舱安装了 20 毫米 M61A1“火神”机炮，取代了两枚 340 千克的炸弹。但是在服役中该机炮很少安装，弹舱的空间留给了炸弹、副油箱或电子设备。
弹舱内安装的固定机炮机炮只占弹舱的一半，还有一半可用于挂载武器GD 还为 F-111A 设计了奇葩的弹仓“响尾蛇”挂架，赋予该机一定的空战能力，不过正式服役时没有采用该挂架
1967 年春，在“战斗标靶 I”项目下开始了对 F-111A 的一系列试飞，肯定了该机雷达优越的轰炸精度。
1967 年 7 月 17 日开始交付架生产型 F-111A。F-111A 的电子设备包被称为 Mk.I 型航电系统，包括利顿 AJQ-20 惯导和攻击系统，通用电气 AN/APQ-112 攻击雷达，霍尼韦尔 APN-167 脉冲雷达高度表，德州仪器 AN/APQ-110 地形跟踪雷达，柯林斯 ARC-1 UHF 和 ARC-112 HF 无线电。
上方是 AN/APQ-112 攻击雷达的大型天线，下方是 AN/APQ-110 地形跟踪雷达的小型天线
1967 年 7 月 18 日首批 F-111A 开始交付新墨西哥州加农空军基地（AFB）的第 474 战术战斗机联队（TFW）第 428、492 和 430 战术战斗机中队（TFS）。1968 年初该联队转移至内利斯 AFB。
基于 1967 年春“战斗标靶 I”试飞的结果，美国空军决定在东南亚小规模部署 F-111A，项目代号“战斗枪骑兵”。1967 年 6 月该项目紧接着旨在查明 F-111A 的缺点并做好作战准备的“收割机”项目展开。“收割机”项目的改进经过实战的验证后都将引入 F-111A 的生产线。
6 架第 428TFS 的 F-111A 被分配给“战斗枪骑兵”项目，1968 年 3 月 15 日离开内利斯 AFB 前往泰国。到 3 月末，这些飞机已经执行了 55 架次对北越目标的夜间轰炸任务，损失两架。66-0022 在 3 月 28 日，66-0017 在 3 月 30 日损失。美国空军随即从内利斯又抽掉了补充机，但随着 4 月 22 日第三架 F-111A（66-0024）的损失，F-111A 的作战行动被暂停。在 11 月 F-111A 返回美国前已很少参战了。事后调查发现 3 架 F-111A 并不是被敌人击落的，而是因机翼和尾部结构缺陷而坠毁，其中一架“战斗枪骑兵”飞机是由于尾部伺服动作器故障而坠毁。美国空军后来发现（经过被释放的战俘确认）这架飞机的尾翼在飞行中突然偏转导致不可控的上仰和滚转，最终使飞机在空中解体。在越南的另外两起坠毁被追踪到M61A1机炮安装不良和飞行员失误。
1968 年在泰国 Takhli 基地的 F-111A，隶属第 428TFS
F-111A 的损失在美国国内引起剧烈争议，威廉·蒲克斯米尔参议员声讨 F-111A 是种不安全的有缺陷飞机。该机随后以“麦克纳马拉的飞行埃兹尔”而闻名，并被指控为是一个潜在的“共军技术金矿”。
在越南上空进行地形跟踪飞行的 F-111A
但空军和通用动力继续埋头苦干来解决 F-111A 存在的问题。第 474TFW 第 428TFS 在 1968 年春达到初始作战能力。“收割机”项目的改进不断在“战斗枪骑兵”作战中得到了验证，“收割机”项目持续时间比预期的要长，联队在 1971 年 7 月才形成完全作战能力。
双方还对 F-111 的试飞和训练事故（包括 1968 年的两机坠毁）做进行了详细的记录和调查。1969 年 8 月 27 日在一次地面疲劳测试中检查出了机翼承力翼盒裂纹，结果追踪到翼盒制造商——赛布尔制造公司，该公司通过贿赂检查员使用了未经授权的焊接工艺。此时由于大多数 F-111A 已经离开生产线，需要进行广泛的改造。
F-111 与当时的其他机型相比，事故率并不高