Samolot mógł przenosić bombę atomową, a pod koniec lat 50. część samolotów zmodyfikowano także do przenoszenia dwóch pocisków powietrze-powietrze AIM-9 Sidewinder. Pierwszy samolot seryjny został oblatany 29 marca 1952 roku, a do października kolejnego roku wyprodukowano ich 250. Długość wzrosła do 14,7 m, a masa własna do 5980 kg. Silniki pozostały natomiast takie same – WE-34 o ciągu 3250 funtów (14,46 kN). Prędkość na poziomie morza nieco wzrosła do 933 km/h, a pułap praktyczny do 14 204 m. Zrezygnowano z planowanej odmiany rozpoznawczej F2H-3P. W 1962 roku wariant ten otrzymał oznaczenie F-2C.
Ostatnią wersją był myśliwiec przeznaczony do działania w każdych warunkach atmosferycznych F2H-4. Był on taki sam jak F2H-3, a jedynie wyposażony w inny radar Hughes AN/APG-37. Produkowano je równolegle do poprzedniej wersji i do września 1953 roku powstało ich 150. Według niektórych publikacji zastosowano w nim nową wersję silników J34-WE-38 o ciągu 3600 funtów (16 kN), z którą prędkość miała wzrosnąć do 982 km/h, pułap praktyczny do 17 069 m oraz zasięg do 3219 km. Zmiany silników w stosunku do F2H-3 nie potwierdza jednak oficjalna karta charakterystyk samolotu.