Pierwsze testy w locie przeprowadzone pod koniec 1956 i na początku 1957 roku pokazały, że nowa maszyna charakteryzuje się o wiele gorszymi parametrami niż zakładano. Program rozwojowy maszyny był zagrożony, ale dzięki zamówieniu złożonym przez siły powietrzne na 350 zamiast planowanych 1000 maszyn prace kontynuowano. Po wprowadzeniu drobnych zmian konstrukcyjnych rozpoczęto dostawy maszyn F-106A i dwumiejscowych F-106B do jednostek.
W grudniu 1959 na samolocie F-106 Delta Dart ustanowiono rekord prędkości osiągając 2455,79 km/h na pułapie 12 300 metrów.
F-106 był wyposażony w zintegrowany system kierowania ogniem Hughes MA-1, połączony z naziemnym półautomatycznym systemem naprowadzania. Uzbrojenie główne stanowiły cztery kierowane pociski rakietowe AIM-4 Falcon umieszczone w komorze uzbrojenia w kadłubie i jeden przeciwlotniczy pocisk AIR-2 Genie z głowicą jądrową służący do niszczenia całych formacji bombowców. System kierowania ogniem MA-1 okazał się bardzo kłopotliwy i podczas całego okresu jego użytkowania był modyfikowany ponad 60 razy.