Inżynier E.M. Flesh z firmy McDonnell zmodyfikował projekt i w maju 1953 roku USAF zamówiło nową wersję oznaczona F-101 Voodoo. Nie wykonano prototypu Voodoo jako takiego, lecz pewne modyfikacje wprowadzono w samolocie seryjnym F-101A, który oblatano 29 września 1954 roku. Zaprojektowano nowe skrzydło, statecznik pionowy miał kształt litery T, zamontowano silniki Pratt & Whitney J57-P-53 o ciągu po 71,17 kN z dopalaniem. Uzbrojenie składało się z 4 działek M39. Na podwieszeniach zewnętrznych najczęściej umieszczano jedną bombę termojądrową (Mk 7 o masie 1688 kg i mocy 1 MT i dwa zbiorniki dodatkowe). Wersja rozpoznawcza RF-101A (35 egzemplarzy) była wyposażona w zestaw aparatów fotograficznych i nie mogła zabierać broni jądrowej. Tajwan otrzymał osiem maszyn tego typu.
Wersja F-101B (480 egzemplarzy) była dwumiejscowym myśliwcem uzbrojonym w dwa niekierowane pociski rakietowe z głowicą atomową AIR-2 (MB-1) Genie w wewnętrznej komorze na uzbrojenie oraz 2 naprowadzane na podczerwień rakiety AIM-4 Falcon. Pierwszy F-101B wprowadzono do służby w styczniu 1959 roku. Wersja F-101F, częściowo budowana od podstaw, a częściowo przebudowana z F-101B, miała dwa komplety drążków i pedałów sterowania. Ostatnie F-101B i F-101F wycofano z lotnictwa Gwardii Narodowej w 1981 roku.