Chiếc Thunderchief được nhanh chóng rút khỏi phuc vụ trong không quân Hoa Kỳ sau khi Chiến tranh Việt Nam kết thúc. Chỉ có 833 chiếc F-105 Thunderchief được chế tạo; và đã bị thiệt hại mất gần 50% con số này tại Việt Nam, chiếc F-105 được xem là không còn hiệu quả chiến đấu theo các tiêu chuẩn quân sự. Một số máy bay còn được giữ lại hoạt động cùng các đơn vị Không lực Vệ binh Quốc gia, nhưng việc sử dụng chúng rộng rãi trong thời gian chiến tranh đã khiến nhiều chiếc F-105 đã đạt đến hoặc vượt quá tuổi thọ phục vụ tính đến giữa những năm 1970. Chiếc Thunderchief được chính thức nghỉ hưu vào ngày 25 tháng 2 năm 1984.[3] Chiếc F-105 được thay thế bằng kiểu máy bay F-4 Phantom II.

Vào năm 1964, những chiếc F-105B được cải biến đặc biệt, với các đối trọng thay chỗ khẩu pháo Vulcan, thân và cánh được gia cố nhiều điểm để thực hiện thao diễn, và bổ sung thêm một bộ tạo khói màu, đã bay một thời gian ngắn cùng đội thao diễn hàng không Thunderbirds của Không quân Hoa Kỳ. Nhưng chỉ sau sáu buổi biểu diễn, một tai nạn chết người do quá tải khung máy bay đã buộc phải quay trở lại sử dụng những chiếc F-100 Super Sabre.[13]