Vào tháng 1 năm 1951, North American Aviation tự nguyện đề nghị một kiểu máy bay tiêm kích ban ngày siêu thanh cho Không quân Hoa Kỳ. Đặt tên là Sabre 45 do kiểu cánh xuôi 45°, nó tiêu biểu cho sự tiến hóa của chiếc F-86 Sabre. Một mô hình được khảo sát vào ngày 7 tháng 7 năm 1951 và sau hơn 100 cải tiến, chiếc máy bay mới được chấp nhận với tên gọi là F-100 vào ngày 30 tháng 11 năm 1951. Đến ngày 3 tháng 1 năm 1952, Không quân Mỹ đặt hàng hai chiếc nguyên mẫu tiếp nối bởi 23 chiếc F-100A vào tháng 2 và bổ sung thêm 250 chiếc F-100A nữa vào tháng 8.

Chiếc nguyên mẫu YF-100A thực hiện chuyến bay đầu tiên ngày 25 tháng 5 năm 1953, sớm bảy tháng trước kỳ hạn. Nó đạt được tốc độ Mach 1,05 cho dù chỉ được trang bị động cơ yếu kém XJ57-P-7. Chiếc nguyên mẫu thứ hai bay vào ngày 14 tháng 10 năm 1953, rồi tiếp nối bởi chiếc F-100A sản xuất hằng loạt đầu tiên vào ngày 9 tháng 10 năm 1953. Không lực Mỹ tiến hành thử nghiệm hoạt động thực tế trong thời gian từ tháng 11 năm 1953 đến tháng 12 năm 1955, tìm thấy rằng chiếc máy bay tiêm kích mới có tính năng bay rất tốt nhưng không thể triển khai số lượng lớn vì nhiều khiến khuyết nhỏ trong thiết kế. Những phát hiện này sau đó được khẳng định trong Kế hoạch Hot Rod, một chương trình thử nghiệm tính phù hợp trong hoạt động. Sự cố đặc biệt nghiêm trọng là sự mất ổn định hướng trong một số chế độ bay tạo ra hiện tượng phối hợp quán tính. Máy bay có thể tạo ra hiện tượng mất hướng đột ngột và lộn vòng có thể xảy ra nhanh đến mức phi công không kịp xử lý và nhanh chóng tạo áp lực nặng lên khung máy bay làm cho cấu trúc máy bay bị phá hủy. Chính là trong những điều kiện như thế mà phi công thử nghiệm chính của North American là George Welch bị thiệt mạng trong khi thử nghiệm bổ nhào một chiếc F-100A được sản xuất đời đầu vào ngày 12 tháng 10 năm 1954. Một vấn đề về điều khiển có liên quan do đặc tính điều khiển của kiểu cánh xuôi ở góc tấn lớn. Khi máy bay tiến gần đến tốc độ chòng chành, việc mất lực nâng ở đầu cánh có thể tạo ra một sự ngóc mũi mạnh mẽ.

Tuy nhiên, những sự chậm trễ trong chương trình phát triển chiếc F-84F Thunderstreak buộc Bộ chỉ huy Không quân Chiến thuật phải đặt hàng những chiếc F-100A nguyên thủy để hoạt động. Họ cũng yêu cầu những chiếc F-100 trong tương lai phải là phiên bản máy bay tiêm kích-ném bom có khả năng mang bom hạt nhân.