Chiếc F-106 được hình thành từ chương trình "Máy bay tiêm kích Đánh chặn năm 1954" của Không quân Hoa Kỳ vào đầu những năm 1950 như là một biến thể tiên tiến hơn của chiếc F-102 Delta Dagger, được gọi là F-102B và được Không quân Mỹ đặt hàng vào tháng 11 năm 1955. Chiếc máy bay có được rất nhiều cải biến và thay đổi trong thiết kế nên về căn bản tự thân nó đã trở thành một thiết kế mới và được đặt lại tên là F-106 vào ngày 17 tháng 6 năm 1956.[3]

Chiếc F-106 được trang bị động cơ turbo phản lực J-75 có đốt sau mạnh mẽ hơn, có đường kính ống hút gió được tăng lên bù đắp nhu cầu hút gió tương xứng, ống hút gió có hình dạng thay đổi được cho phép chiếc máy bay cải thiện được tính năng bay đặc biệt là ở tốc độ siêu âm, và cũng cho phép có một ống hút gió ngắn hơn. Thân máy bay suôn và đơn giản hơn trong nhiều cách với cánh được thay đổi có diện tích cánh hơi lớn hơn và các bề mặt đuôi được thiết kế lại. Ống xả phản lực của chiếc máy bay có một thiết bị được gọi là bộ giảm thiểu lực đẩy không tải, cho phép lăn bánh trên mặt đất mà khí phản lực thổi ra không làm thổi bay những vật thể không được cố định chung quanh, mà lại cho phép hoạt động hoàn hảo ở lực đẩy tối đa bao gồm chế độ có đốt sau. Thân máy bay cũng ngắn hơn đôi chút so với chiếc F-102 Delta Dagger.

Những chuyến bay thử nghiệm ban đầu vào cuối năm 1956 và đầu năm 1957 thật đáng thất vọng, tính năng bay kém hơn nhiều so với sự mong mỏi, nhưng sau khi chương trình gần như bị hủy bỏ, Không quân quyết định đặt hàng 350 chiếc F-106 thay vì 1.000 chiếc theo như kế hoạch từ trước. Sau vài thay đổi nhỏ trong thiết kế, chiếc máy bay mới được đặt tên là F-106A đã được giao đến 15 phi đội tiêm kích đánh chặn cùng với kiểu "F-106B" (một phiên bản huấn luyện hai chỗ ngồi có khả năng chiến đấu) bắt đầu từ tháng 10 năm 1959.[4] Vào tháng 12 năm 1959, Thiếu tá Joseph W. Rogers đã lập kỷ lục thế giới mới về tốc độ 2.455,79 km/h (1.525,96 mph) trong khi bay một chiếc Delta Dart ở độ cao 12.300 m (40.500 ft).[5][6]

Chiếc F-106 được trang bị hệ thống kiểm soát hỏa lực tích hợp Hughes MA-1, có thể nối kết với mạng Môi trường Mặt đất Bán tự động dành cho các phi vụ đánh chặn kiểm soát từ mặt đất (cho phép chiếc máy bay được điều khiển bởi kiểm soát viên mặt đất). Nó được trang bị bốn tên lửa không-đối-không Hughes AIM-4 Falcon trong khoang vũ khí bên trong cùng với một tên lửa GAR-11/AIM-26A Falcon đầu đạn nguyên tử dẫn đường bằng radar bán chủ động, hoặc một tên lửa không-đối-không nguyên tử MB-2/AIR-2 Genie 1,5 kiloton dự định để bắn vào đội hình máy bay ném bom đối phương.[7] Hệ thống kiểm soát hỏa lực MA-1 rất hay bị trục trặc, và sau đó phải được nâng cấp hơn 60 lần trong quá trình hoạt động.[8]