Không lâu sau thiết kế đã trở nên khá khác biệt so với chiếc Skyray đến mức không thể xem là một phiên bản của nó, và chiếc máy bay được đặt tên mới là F5D Skylancer. Hầu như mọi phần của khung máy bay đều được cải tiến, nhưng hình dạng căn bản không thay đổi cũng như là kiểu cánh, cho dù chúng trở nên mỏng hơn. Bề mặt cánh được gia cố, sửa chữa một vấn đề của chiếc F4D. Thân máy bay dài hơn 2,4 m (8 ft) và áp dụng quy luật khu vực để làm giảm lực cản vượt âm, trở nên mỏng hơn gần vị trí gốc cánh. Mọi thứ được tạo dáng để làm giảm lực cản và tăng độ ổn định ở tốc độ cao.

Cho dù được giữ lại bốn khẩu pháo 20 mm ở gốc cánh, vũ khí trang bị chủ yếu là tên lửa hay rocket; bao gồm bốn tên lửa AIM-9 Sidewinder hoặc hai tên lửa AIM-7 Sparrow, hoặc/và một cụm rocket 51 mm (2 in) không điều khiển.

Chín chiếc máy bay thử nghiệm được đặt hàng, được tiếp nối bằng đơn đặt hàng sản xuất 51 chiếc. Máy bay sản xuất hàng loạt được dự trù sẽ trang bị loại động cơ J57-P-14 mạnh mẽ hơn, và cũng có kế hoạch nhằm trang bị cho nó loại động cơ General Electric J79 mạnh hơn nữa.