1958 年 9 月 25 日，一架 F-101A 从德州卡斯韦 尔AFB 起飞到百慕大，全程 3,051 千米，创造了百系列战斗机中不着陆/不空中加油的最远飞行纪录。
在主动抑制器缓解了自动上仰问题之后，F-101A 创造了极佳的飞安纪录，实际上 F-101A 是 USAF 历史上所装备过战斗机中第一年事故率最低的机型。
1956~66 年 F-101A 开始从 USAF 撤装，其中 17 架被移交给空中国民警卫队（ANG）。到 70 年代中期，因事故、移交、拆解备件和改装使 USAF 的 F-101A 数量仅存数架。
第 9 架 F-101A（53-2426）被借给普惠作为 J57-P-55 发动机的测试机，该发动机为 F-101B 研制，推力更大。编号也被改为 JF-101A，“J”指用于测试用途的暂时性改装。新发动机的加力推力 7,666 千克力，排气管大大延长以容纳更长的加力燃烧室段。后机身下方增加了额外的加力燃烧室冷却进气口。阿德里安·E·德鲁驾驶 JF-101A 在 1957 年 12 月 12 日创造了新的世界绝对速度纪录——1,943 千米/时，打破了之前英国费尔雷 FD-2 创造的纪录。
JF-101A（53-2426）在 1957 年 12 月 12 日的“防火墙”行动中打破速度世界纪录。注意该机的加长尾喷管
1958 年第一架 F-101A 被借给通用电气用于测试 J79-GE-1 涡喷发动机，编号改为 NF-101A，“N”指用于测试用途的永久性改装。1958~59 年该机安装两台 J79 进行了试飞，之后退役转到德州阿马里洛 AFB 作为地面教具。
安装了 J79 发动机的 NF-101A 53-2418该机是性能最好的“巫毒”F-101A 三面图
麦克唐纳 RF-101A“Voodoo”
1953 年 1 月 USAF 要求麦克唐纳研制 F-101A 的无武装照相侦察型的作为共和 RF-84F“雷闪”的可能替代机，该计划最初名称是武器系统 WS-105L。
正在制造中的第 16 和 17 架 F-101A 机身（54-149 和 54-150）被用来改装成侦察型原型机，编号 YRF-101A。该机保留了战斗轰炸型的 J57-P-13 发动机，安装了新的加长机鼻，内部安装了 4 部用于低空拍摄的照相机。另外 F-101A 座舱后部弹药箱的位置还安装了两部高空照相机，YRF-101A 保留了战斗轰炸型的双型号空中加油系统，但是稍微重新布置了内部油箱，载油量稍稍降至 8,517 升。1955 年 6 月 30 日首架 YRF-101A 首飞。
YRF-101A 54-149，机头改装了照相机舱
生产型 RF-101A 生产了 35 架，该机成为 USAF 的第一种超音速照相侦察机。1957 年 5 月 6 日首架 RF-101A 交付南卡州肖 AFB 的第 363 战术侦察联队（TRW）第 17 战术侦察中队（TRS），开始取代亚音速的 RF-84F。1957 年 10 月最后一架 RF-101A 交付，在 35 架 RF-101A 生产完毕后，麦克唐纳开始转产 RF-101C，后者产量 166 架。
1964 年 1 月第 29 TRS 的RF-101A 54-1502
RF-101A 的双重空中加油系统同时兼容 KB-50J 的软管-锥套式系统和 KC-97/KC-135 的硬管式系统。
RF-101A 的照相机包括一部是长焦距的费尔柴尔德 KA-1 分辐照相机，一部垂直和两部侧斜费尔柴尔德 KA-2 分辐照相机，以及一部 CAI KA-18 条辐式照相机。机鼻照相机系统有一个电池供电的升降机，可降下照相机以装卸胶卷盒，不安装相机时，楔形机鼻内空余的空间可用于装载个人物品或货物。
RF-101A 机头的各种照相机
由于一开始相机非常短缺且完全不可用，许多早期的 RF-101A 最初交付时并没有安装全套相机。随着相机的逐步到位，RF-101A 才具备侦察能力。1957 年 12 月，一架 RF-101A 从日本立川 AFB 飞往夏威夷希凯姆 AFB，耗时 6 小时 3 分，创造了新的点对点纪录。
第 363TRW 的 RF-101A/C 在 1962 年 10 月的古巴导弹危机中对古巴实施了重要的侦察任务，确认并监视岛国上苏联导弹的集结。1962 年 10 月 23 日进行了首次对古巴的侦察，该联队的 15 名飞行员在这次行动中被授予杰出飞行十字勋章。
第 363TRW 的 RF-101C 肯尼迪总统向第 363TRW 的飞行员颁发杰出飞行十字勋章
RF-101A 与战斗轰炸型一样在 USAF 中有着极佳的飞安纪录。
1959 年 11 月起，USAF 的 RF-101A 开始移交给中国台湾空军。在“繁荣城市”行动台湾空军共获得 8 架 RF-101A，进行例行照相侦察任务以及在中国大陆上空的秘密间谍飞行。解放军击落两架 RF-101A，台湾空军承认被击落三架，两架被战斗机击落，一架被防空导弹击落。台湾的 RF-101A 一直服役到 70 年代末，现有 3 架在展出。
1966 年 USAF 将一架 RF-101A 移交给 ANG，这架飞机在阿肯色州 ANG 第 154TRS 和密歇根州 ANG 第 127 战术侦察大队（TRG）短暂服役。
到 1970 年 6 月由于事故、改装和移交 USAF 仅余 14 架 RF-101A，其中 6 架专用于训练。在接下来的一年所有 RF-101A 都从 USAF 中退役。
麦克唐纳 F-101B/F“巫毒”
F-101B 是“巫毒”家族中的全天候截击型，也是最重要的改型，总产量 479 架。
早至 1952 年秋 USAF 就考虑研制“巫毒”的全天候截击型，但当时由于成本太高而被否决。但是到了 1953 年春“巫毒”截击型概念又卷土重来，这次这种远程截击机是用作航程相对较短的 F-86D 的补充。这个建议再次被毙，因为 USAF 已选定 2M 的康维尔 F-102B 作为终极远程截击机（后编号改为 F-106A）。
但是由于 1953 年末 F-102B 项目的延迟迫使 USAF 重新考虑全天候截击机的采购策略。此时 USAF 远程全天候截击机中队的支柱是亚音速的诺斯罗普 F-89“蝎子”，以及刚刚开始试飞的超音速康维尔 F-102A“三角剑”。在 USAF 的计划中，F-102A 仅仅是一种过渡截击机，用于在更先进的 F-102B 服役前填补空白。但是此时 F-102A 正遭遇研发问题，可能会推迟服役。雪上加霜的是 1953 年 8 月苏联成功进行了氢弹试验，USAF 急迫需要一种除 F-102A 之外的截击机来填补亚音速的 F-89“蝎子”与 2M 的 F-102B 服役前的空缺。空军委员会邀请工业界提交方案，该项目被命名武器系统 WS-217A。
F-102A 的研制过程遭遇重重困难，从该机开始人们才认识到面积率的重要性
诺斯罗普提交了 F-89“蝎子”的先进改型，北美提交了 F-100“超佩刀”的全天候截击型，麦克唐纳提交了 F-101“巫毒”的一种改型。1954 年 6 月 USAF 认为麦克唐纳的方案最好。
在获得合同前，麦克唐纳研究了截击机的单双座布局和几种可供选择的动力装置，包括 GE J79、普惠 J57 和 J75、莱特 J67。1954 年 11 月决定采用双座布局和莱特 J67。J67 是莱特按许可证生产的英国布里斯托“奥林巴斯”涡喷发动机，最大加力推力 9,979 千克。该机采用休斯 MG-13 火控系统，是 F-89D E-6 系统的改进型，武器采用安装常规战斗部的休斯“猎鹰”导弹，没有内置机炮。
莱特 XJ67 涡喷发动机，是按许可证生产的布里斯托“奥林巴斯”
1955 年 2 月 25 日 USAF 做出截击型“巫毒”的研制决策，预计 1956 年中期首飞，1958 年初开始服役。1955 年 3 月 3 日签订了首批 28 架双座截击型的意向书，7 月 12 日签订了 1956 财年的正式合同，数量增加至 96 架。该机的编号最初定为 F-109，但 1955 年 8 月改为 F-101B，9 月全尺寸模型通过审核。
但是莱特 J67 发动机很快遭遇严重的研制困难，导致 F-101B 项目的延迟。麦克唐纳和空军都同意改用普惠 J57-P-55 发动机，J57-P-55 比单座“巫毒”的 J57-P-13 加长了 61 厘米，加长的加力燃烧室使最大推力从 6,804 千克力增加到 7,666 千克力。
J57-P-55 加长的加力燃烧室是区别于 RF/F-101A 所用 J57-P-13 的重要特征