Năm 1949, Republic đã phát triển một phiên bản cánh xuôi của F-84 với hy vọng sẽ mang lại hiệu suất như F-86. Loạt sản phẩm cuối cùng của F-84E được sửa lại với cánh đuôi ngả về sau, cánh chính mới có góc xuôi diềm trước là 38,5 độ, góc nhị diện là 3,5 độ, và một động cơ J35-A-25 engine tạo lực đẩy 5.300 pound (23,58 kN).[1] Chiếc máy bay này được định danh là XF-96A. Nó bay lần đầu vào ngày 3/6/1950, do Otto P. Haas điều khiển. Dù XF-96A có thể đạt vận tốc 602 knots (693 mph, 1.115 km/h), nhưng hiệu suất này so với F-84E thì tăng không đáng kể.[1] Tuy nhiên, quân đội vẫn đặt mua nó, XF-96A được đưa vào sản xuất tháng 7/1950 với tên chính thức là F-84F Thunderstreak. Tên định danh F-84 được giữ lại vì dự kiến đây là một sự cải tiến chi phí thấp của loại Thunderjet cánh thẳng, chúng có chung hơn 55% thiết bị dùng chung.[1]

Cùng lúc đó, USAF hy vọng cải thiện hiệu suất bay trên độ cao lớn từ một động cơ mạnh hơn, họ đã mua giấy phép để sản xuất loại động cơ phản lực Armstrong Siddeley Sapphire của Anh tại Mỹ với tên gọi Wright J65. Để chứa động cơ lớn hơn, YF-84F với động cơ Sapphire do Anh chế tạo cũng như những chiếc F-84F thành phẩm với J65 có thân được kéo dài, có khe hút khí hình ovan. Sự chậm trễ trong sản xuất F-84F đã buộc USAF phải đặt mua một số máy bay F-84G cánh thẳng như một giải pháp tạm thời.[1]

Việc sản xuất nhanh chóng nảy sinh vấn đề. Dù dùng chung 55% thiết bị với Thunderjet, nhưng trong thực tế chỉ có 15% thiết bị là có thể tái sử dụng.[1] Vấn đề trở nên tồi hơn khi F-84F sử dụng xà dọc và khung sườn cánh nén ép. Lúc đó, chỉ có 3 máy ép ở Hoa Kỳ có thể chế tạo những thứ đó, và ưu tiên được dành cho máy bay ném bom Boeing B-47 Stratojet chứ không phải là F-84.[1] Động cơ YJ65-W-1 cũng bị xem là lạc hậu và J65-W-3 cải tiến phải đến năm 1954 mới có. Khi F-84F thành phẩm đầu tiên bay vào ngày 22/11/1952, nó khác với máy bay thử nghiệm. Nó có nắp buồng lái khác mở sang bên thay vì mở về phía sau, cũng như phanh ở hai bên thân thay vì ở dưới máy bay.[1] F-84F bị coi như không đủ sẵn sàng cho triển khai hoạt động do các vấn đề về điều khiển và ổn định. 275 chiếc đầu tiên, trang bị cánh đuôi thăng bằng thông thường dẫn đến một số vấn đề khi máy bay tăng tốc và bay ở vận tốc chiến đấu. Bắt đầu với Block 25, vấn đề đã được giải quyết với việc trang bị stabilator một mảnh điều khiển bằng thủy lực. Một lượng máy bay cũng được trang bị tấm lái ngang để cải thiện việc điều khiển ở vận tốc cao. Do đó, tới tận 12/5/1954 F-84F mới được đưa vào trang bị.[1]