Một số ít những chiếc F3D-1 được sử dụng chủ yếu để huấn luyện các đội bay F3D và chúng không tham gia chiến đấu. Tuy nhiên, phiên bản F3D-2 đã hoạt động rộng rãi trong Chiến tranh Triều Tiên và tiêu diệt được nhiều máy bay địch tại Triều Tiên hơn bất kỳ kiểu máy bay tiêm kích nào khác của Hải quân hay Thủy quân Lục chiến [3]. Chúng được sử dụng như máy bay tiêm kích hộ tống, hộ tống những chiếc máy bay ném bom B-29 Superfortress trong những phi vụ ném bom ban đêm, đồng thời cũng thực hiện những phi vụ đánh chặn và can thiệp ban đêm. Cho đến hết chiến tranh, những chiếc Skyknight đã bắn rơi được sáu máy bay đối phương (một chiếc Polikarpov Po-2 và năm chiếc Mikoyan-Gurevich MiG-15) mà không bị thiệt hại.[4] Chiến công không chiến đầu tiên diễn ra vào ngày 3 tháng 11 năm 1952 với một chiếc F3D-2 của Thủy quân Lục chiến Hoa Kỳ do Thiếu tá William T. Stratton, Jr. và nhân viên radar Thượng sĩ Hans C. Hoglind thuộc phi đội VMA-513 điều khiển.[4]

Trong những năm sau cuộc Chiến tranh Triều Tiên, chiếc F3D dần được thay thế bởi những kiểu máy bay phản lực mạnh hơn và có những hệ thống radar tốt hơn. Tuy vậy, sự nghiệp phục vụ của nó chưa kết thúc; thân rộng rãi và độ ổn định của nó làm cho nó dễ dàng chuyển đổi sang những vai trò khác. Chiếc F3D (dưới những phiên bản F3D-1M và F3D-2M) được sử dụng trong việc phát triển một số hệ thống tên lửa không-đối-không trong những năm 1950, bao gồm các kiểu tên lửa Sparrow I, II, và III cùng tên lửa Meteor. Chiếc F3D-2M trở thành máy bay phản lực hoạt động đầu tiên của Hải quân Mỹ được trang bị tên lửa không-đối-không kiểu Sparrow I, một loại tên lửa dẫn hướng bằng chùm radar điều khiển bởi đội bay để kiểm soát đường bay của tên lửa. Chỉ có 38 chiếc gồm 12 chiếc F3D-1M và 16 chiếc F3D-2M được cải biến để mang kiểu tên lửa này. Vào cuối những năm 1950, một số chiếc F3D-2 của Thủy quân Lục chiến được cải biến thành máy bay chiến tranh điện tử và được đặt tên lại thành F3D-2Q (sau này là EF-10B). Tương tự, một số chiếc cũng được cải biến thành máy bay huấn luyện và được đặt tên lại là F3D-2T.

Những chiếc Skyknight tiếp tục phục vụ đến giữa những năm 1960 trong màu sơn trắng, trong khi những chiếc cùng thời với nó đã được cho nghỉ hưu từ lâu. Vào năm 1962, Khi Hải quân và Không quân Hoa Kỳ thống nhất với nhau về cách đặt tên máy bay, chiếc F3D-1 được đặt tên lại là F-10A trong khi chiếc F3D-2 được gọi là F-10B. Kiểu EF-10B đã phục vụ trong vai trò phản công điện tử trong Chiến tranh Việt Nam cho đến năm 1969. Thủy quân Lục chiến Mỹ đã cho nghỉ hưu những chiếc EF-10B cuối cùng vào năm 1970. Một số chiếc tiếp tục bay như là nền tảng thử nghiệm cho hãng Raytheon đến tận những năm 1980.

Khi Hải quân Mỹ mở gói thầu về một kiểu máy bau tiêm kích mang tên lửa để phòng thủ hạm đội vào năm 1959, Douglas đã tham gia với thiết kế chiếc F6D Missileer, một phiên bản nâng cấp và mở rộng chiếc F3D có khả năng mang tên lửa tầm xa AAM-N-10 Eagle, cùng các tính năng quan trọng nhất như mang được trữ lượng nhiên liệu lớn, đội bay gồm hai người, và các thiết bị điện tử tinh vi, hơn là chú trọng đến tốc độ hay độ cơ động. Đề án này không lâu sau bị hủy bỏ, nhưng hệ thống tên lửa sau đó được tiếp tục phát triển thành kiểu AWG-9 Phoenix dành cho chiếc F-14 Tomcat. Cấu hình chung về động cơ và kiểu cánh sau này sẽ lại xuất hiện trong thiết kế chiếc Northrop A-9 trong dự án AX.