Chuyến bay đầu tiên được thực hiện vào ngày 21 tháng 4 năm 1956 và đạt được tốc độ siêu âm; chiếc máy bay tỏ ra dễ điều khiển và có tính năng bay tốt. Tuy nhiên, sau khi bốn chiếc máy bay được chế tạo, Hải quân đã hủy bỏ việc đặt hàng. Lý do được đưa ra là chiếc máy bay có nhiều điểm tương đồng với kiểu máy bay tiêm kích F8U Crusader đã được đặt hàng, nhưng nhiều sử gia đã tin rằng chính trị đã đóng vai trò lớn trong vụ này. Douglas đã đang chế tạo một phần lớn những chiếc máy bay cho Hải quân, nên việc trao thêm một hợp đồng chế tạo F5D sẽ làm cho nó tiến đến thế gần như độc quyền.

Bốn chiếc máy bay được tiếp tục sử dụng trong nhiều chương trình thử nghiệm quân sự khác nhau. Hai chiếc được cho nghỉ hưu vào năm 1961, nhưng hai chiếc kia tiếp tục bay. Được chuyển cho NACA (Cơ quan tư vấn hàng không quốc gia, sau này trở thành NASA) vào đầu những năm 1960, một chiếc được sử dụng làm nền tảng thử nghiệm cho chương trình vận tải siêu âm Hoa Kỳ, được trang bị một kiểu cánh dạng hình cung nhọn (kiểu sau này được sử dụng cho chiếc Concorde; thông tin thu lượm được từ chương trình thử nghiệm này đã được chia sẻ cho các nhà thiết kế châu Âu). Chiếc máy bay này được cho nghỉ hưu vào năm 1968. Chiếc kia được sử dụng để thử nghiệm mô phỏng thủ tục cắt ngắn chuyến bay của chiếcX-20 DynaSoar, vì nó có hình dạng rất giống và đặc tính điều khiển tương tự. Sau khi chương trình DynaSoar bị hủy bỏ, nó được tiếp tục sử dụng làm máy bay đuổi bắt cho nhiều chương trình khác nhau cho đến khi nghỉ hưu vào năm 1970. Chiếc máy bay cuối cùng này hiện còn đang được trưng bày tại Bảo tàng Hàng không và Không gian Neil Armstrong tại Wapakoneta, Ohio, vì Neil Armstrong từng lái chiếc máy bay này trong chương trình nghiên cứu DynaSoar. Một phiên bản F5D khác mang phù hiệu của NASA hiện đang là một phần trong bộ sưu tập tư nhân của Merle Maine tại Ontario, Oregon.