Параллельно с серийным выпуском истребителей-бомбардировщиков F-105D фирма Рипаблик пыталась заинтересовать ВВС США в двухместной всепогодной ударной модификации самолета, получившей обозначение F-105E. Пять самолетов модели «Е» начали строить, но в 1959 г. ВВС категорически отказались от двухместной версии истребителя-бомбардировщика. Самолеты достроили как обычные F-105D. Опыт эксплуатации «Тандерчифов» заставил командование ВВС пересмотреть свое отношение к спарке - двухместный вариант признали необходимым для использования в процессе подготовки пилотов F-105D. В мае 1962 г. Макнамара дал добро на производство двухместных учебно-боевых самолетов F-105F.
Наличие кабины второго члена экипажа привело к удлинению носовой части фюзеляжа на 774 мм (30,5 дюйма). Чтобы компенсировать некоторую потерю путевой устойчивости, связанную с удлинением передней части истребителя-бомбардировщика, площадь вертикального оперения была увеличена на 15%. Приборное оборудование обеих кабин было идентичным. Несмотря на несколько большую массу, летные характеристики F-105F сохранились на уровне F-105D.
Прототип двухместного учебно-боевого самолета (заводской номер 62-4412) совершил первый полет 11 июня 1963 г., а уже через полгода, 7 декабря 1963 г., первый F-105F получили ВВС США. Всего до прекращения серийного производства «Тандерчифов» в 1964 г. изготовили 143 самолета варианта F-105F. F-105F с серийным номером 63-8566 стал последним, 833-м, построенным «Тандерчифом», самолет был сдан заказчику в январе 1965 г.
Двухместный «Тандерчиф» не являлся учебным в общепринятом смысле этого слова. По мнению командования ВВС ограниченный обзор из второй кабины не позволял обучать летчиков. Самолет предназначался для повышенной подготовки пилотов, в первую очередь обучению полетам по приборам в сложных метеоусловиях и ночью, а также тренировкам на боевое применение. До Вьетнама этой машине не придавали особого значения, а вышло так, что двухместные «Тады» сошли со сцены много позже одноместных.
Мощная система ПВО Северного Вьетнама заставила американцев резко активизировать работы по созданию специализированного противорадиолокационного самолета в рамках программы «Wild Weasel». Первой такой машиной, нашедшей применение на поле боя, стал F-100F «Супер Сейбр», но F-100F не хватало, а кроме того, «Супер Сейбр» уступал по скорости ударным самолетам («Тандерчифам»), которые призван был охранять. В январе 1966 г. командование ВВС одобрило решение о разработке «Wild Weasel» второго поколения на базе двухместного «Тандерчифа». Почти отвергнутый учебно-боевой F-105F пришелся как нельзя более кстати. Прототип F-105F «Wild Weasel II» (серийный номер 62-4412) совершил первый полет 16 января 1966 г. Состав бортового электронного оборудования нового «Визеля» не отличался от оборудования самолета РЭБ на базе «Супер Сейбра»: система обнаружения электромагнитного излучения AN/APR-25(V), система предупреждения о пусках ракет AN/APR-26. Официально обозначение противорадиолокационного «Тандерчифа» не менялось - F-105F, но неофициально самолет чаще называли EF-105F.
Первые четыре EF-105F прибыли на таиландскую авиабазу Корат 28 мая 1966 г. Первый боевой вылет состоялся 6 июня. В тот день EF-105F несли новейшее оружие борьбы с РЛС - управляемые ракеты AGM-45 «Шрайк». К концу года в Юго-Восточной Азии находилось 23 EF-105F.
Первый двухместный F-105F