El 10 de septiembre de 1956, Bob Baker, piloto de pruebas de North American realizaba el primer vuelo del YF-107A, un cazabombardero que se enfrentó al Republic F-105, y perdió. El primer vuelo se desarrolló sin problemas, salvo un fallo en el tren de aterrizaje delantero. El 3 de noviembre alcanzó Mach 2, y el 17 había completado la Fase 1 de pruebas. El segundo prototipo voló el 28 de noviembre, y el tercero y último el 18 de febrero del 57.
Lo que más llamaba la atención del diseño era la toma de aire dorsal que alimentaba un reactor Pratt & Whitney J75. Esta fue la primera entras de aire de geometría variable para optimizar la alimentación de aire del motor. En los dos primeros aviones tenia dos posiciones, pero el tercera incorporaba un sistema VAID (variable air inlet duct).
Los timones de dirección y profundidad eran completamente móviles, de una sola pieza. Este desarrollo fue lo suficientemente interesante para que North American lo utilizase en el A-5 Vigilante, el XB-70 Valkirie el F-108 Rapier.
El avión era capaz de subir verticalmente en supersónico. Se llevaron a cabo una serie de pruebas trepada, que fueron suspendidas debidas a daños en el motor. La fuerza aérea no quería, además, competencia para el NF-104, que estaba intentando romper records, en este terreno.
Las pruebas de armamento se realizaron en China Lake y el polígono de pruebas de Salton Sea. Se probaron multitud de cargas, y se realizaron lanzamientos entre Mach 0.9 y Mach 2. Aunque la competición estuvo muy igualada, el F-105 fue declarado ganador. Dos de los YF-107A fueron utilizados por la NACA para el desarrollo del sidestick de control del X-15. El última vuelo del F-107 fue realizado el 1 de agosto de 1959 por Scott Crossfield.
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