1954年9月，首批F－100A交付479昼间战斗机联队。但紧接着该联队就在高速横滚机动时连续发生多起严重事故。为解决问题，北美公司指派F－100首席试飞员乔治·威尔士进行专门试飞。但1954年10月12日，当乔治进行飞行包线右边界试飞时，飞机突然失稳，瞬间过载超过8G！F－100A当即解体，乔治重伤身亡。11月8日，英国空军准将杰弗里·斯蒂芬逊在佛罗里达试飞F－100A时失事丧生。2天后，又一架F－100A在机动中失控坠毁，所幸飞行员安全逃生。美国空军下令所有F－100A全部停飞——这就是F－100发展历程中那次著名的停飞事件。
后来事故原因终于查明，由于飞机高速横滚时，前机身滚转和偏航惯量相互耦合，F－100A的小垂尾无法提供足够的方向稳定性，导致飞机突然失稳而发生事故。在加大了垂尾并限制飞机横滚动作之后，F－100A机群恢复飞行。
1967年10月21日，“雷鸟”在德克萨斯州拉夫林发生一起严重事故：一架F－100D在高速俯冲拉起时机翼脱落，从机翼油箱泄漏的燃油进入发动机，导致飞机凌空爆炸，飞行员麦瑞尔·麦克皮克上尉跳伞逃生。此次事故引起了美国空军的重视。因为此前部署在南越的F－100曾发生过好几起原因不明的事故，都是在飞机拉起进行上仰投弹的过程中失事。根据对“雷鸟”的事故调查报告，美国空军下令对所有在南越的F－100机动动作加以限制。 1950 年代中期，北约组织的官员担心苏联的核弹突袭可能摧毁盟军机场和停放于地面的飞机，使北约无力报复。其中一个解决方法是将战斗机疏散进远离机场并且具有核防护能力的掩体中，核打击过后，这些飞机可以在一个特制支架上通过火箭助推起飞，以便截击机能够紧急升空拦截，这个概念就是零距离发射——ZEL（Zero-Length Launch）。“零长弹射”装置其实可以看作一个大型捆绑式火箭助推装置，安装在F－100机身下部。火箭推力接近6吨，可以在4秒的时间里将一架16吨重的飞机加速到482公里/时。
1956 年10 月12 日，北美航空获得合约，使最后一批 148 架F-100D 具有ZEL 能力。USAF借给北美两架F-100D，进行 ZEL 的系统测试。
北美航空的火箭推进分部研制了一种固体火箭发动机，可以安装 F-100D 后机身底部。该发动机可以产生58,970.44 千克的推力并持续四秒，足够使 F-100D 在 4 秒内速度从0 加速到 482.70 公里/小时。火箭发动机在燃料耗尽后脱落，F-100借自身动力继续爬升。
在进行实机发射前，先进行了5 次配重发射，其中首次发射于1957 年12 月12 日进行。
1958 年3 月26 日，进行了首次F-100D 实机发射。试飞员阿尔·布莱克本爬入F-100，启动发动机，将油门置于全加力状态，然后点燃了火箭发动机。在4秒内，他加速到 482.70 公里/小时飞向天空，火箭发动机脱落后，布莱克本进入了标准起落航线安全着陆。
但在他的第二次飞行中，火箭发动机在烧尽后没有脱落，布莱克本不得不弹射。接下来的 20 次试射都很成功，飞机挂载着标准外挂（包括核弹模型）顺利升空。虽然整个ZEL 系统可靠性高，操作起来也简单，但由于局势缓和和战机性能提高，“零长弹射”再也无人提起。 1954年7月31日，NACA（美国国家航空咨询委员会，NASA的前身）高速飞行研究站接收到一架预生产型F－100A（生产序号：52-5778），随即利用该机展开对F－100A的独立评估。当时高速飞行研究站的主任沃尔特·威廉姆斯被指定负责F－100A稳定性和控制方面的评估，但根据空军和NACA试飞员的体验，决定同时展开对该机滚转趋势的研究。仿真实验表明，F－100A由于横滚时的惯性耦合可能导致方向稳定性方面的严重问题。NACA为此提出改进建议：加大垂尾，并增加机翼翼尖面积——但为时已晚。
F－100A停飞后，从1954年10月至12月，NACA试飞员斯科特·克罗斯菲尔德驾驶那架52-5788号F－100A进行了一系列试飞，以确定该机的滚转耦合边界。12月，高速飞行站为该机换装了一个面积增大10%的大垂尾进行试飞。最终，该机的垂尾面积加大了27%，同时翼展也有所增加。
高速飞行站收到第二架F－100（C型，生产序号：53-1712）是在1956年9月18日。该机主要用于评估俯仰抑制装置，共试飞30架次，结果表明，俯仰抑制装置可以增大飞机耦合阻尼。
1957年9月27日，第三架F－100（C型，生产序号：54-1717）抵达高速飞行站。该机主要用于常规研究支援，包括技术保持飞行等等。
最后在NASA服役的则是JF－100C。该机原属阿姆斯研究中心，1960年11月2日移交给NASA飞行研究中心，并被赋予NASA机尾号709。该机主要一系列空中仿真试飞，包括从属X-15和SST项目的变静稳定度飞行试验，为此换装了特殊的航电设备。试验完成后，1964年2月3日，该机又改装常规航电设备。3月11日，该机归还给阿姆斯研究中心。 越南战争是F-100参加过的最大规模的战争。该机被赋予两个基本任务：战斗空中巡逻，以阻止米格机对己方攻击机的突袭；对地攻击。此外，该机有时还担负前方空中管制任务。从1964年至1971年，F-100机群战斗出动超过30万次。
1964年2月，战术空军第615战术战斗机中队奉命进驻越南岘港空军基地。6月9日，该部首次出动轰炸老挝目标。随后，8月17日，第401战术战斗机联队进驻新山一基地。次日，第一架F-100D（序号56－3085）就在老挝上空被击落。到当年年底，共损失了2架F-100。
1965年“东京湾事件”后，美军开始大规模空袭北越。
1965年4月1日，F-100D首次执行护航任务，掩护F-105攻击清化大桥。3天后，F-100D再度与F-105搭档攻击杜梅大桥。这次与前来拦截的北越米格-17遭遇，爆发越南战争中第一场空战。混战中两架美机被击落。事实上，由于缺乏先进的雷达和空空导弹，F-100并不适合用于对空作战，在和米格机的较量中没有获得一个战果。因此后来多用于执行对地攻击任务。
但F-100毕竟设计年代久远，即使用于对地攻击，其作战半径、载弹量也比不上F-105和后来的F-4，特别是其机体结构强度不能满足低空高速轰炸的要求，因此主要担负在南越次要的战斗任务——典型的是轰炸游击队集结地。在这种任务中，F-100通常挂载2枚CBU-24子母杀伤弹和2枚750磅凝固汽油弹，轰炸之后再用其4门20毫米航炮反复扫射目标地区，进行“清扫”工作。
1965年，“野鼬鼠”工程启动。部分F-100F改装电子对抗设备和AGM-45“伯劳鸟”反辐射导弹，从泰国科芮特空军基地起飞，执行电子战中的“硬杀伤”任务。尽管对空、对地的作战能力都不被看好，但被称作“野鼬鼠I”的F-100F执行这种任务还是胜任愉快，该机一直服役到60年代末被F-105和F-4取代。
由于飞机数量不足，除了空军现役部队外，一些装备F-100的空中国民警卫队也被征调到越南前线执行作战任务。1968年，科罗拉多州空中国民警卫队第120战术战斗机中队（装备100D/F）作为首批ANG部队前往越南。该中队共战斗出动5905次，克莱德·斯莱尔少校和皮瑞·杰斐逊上尉阵亡。
F-100机群在越南的数量最多时曾达到490架，但随着F-105和F-4大批服役，F-100从60年代末开始逐步撤出越南。至1971年7月，最后一支装备F-100的部队——第35战术战斗机联队撤离越南。
随后，F-100从空军中全部退役，大量F-100D转交空中国民警卫队。截止1972年中，空中国民警卫队共接收335架100D。 F-100A 、C、D、F等各型共生产 2,350 多架，1959 年全部停产。除美国外还有法国、土耳其、丹麦、台湾地区使用F-100系列战机。1956 年美国“雷鸟”飞行表演队换装 F-100“超级佩刀”式战斗机，成为第一支装备超音速战斗机的飞行表演队，“雷鸟”一直使用了 13 年。F-100 曾在越南战争中执行战斗轰炸任务，是美国空军在越战中使用的主要机型之一。1973 年 F-100 从美国战术空军退役转入美国空军国民警卫队服役，有些被改装成无人驾驶靶机使用。
法国空军：法国空军是首个装备F-100的外国空军。1958 年5 月1日，第一架F-100抵达法国，这是一架 F-100F 双座型。最终有 85 架F-100D 和15 架F-100F 提供给法国，装备第3 和11 两个中队。由于此时法国还是完全的北约成员国，所以法国的超配刀最初被编入北约第4联盟战术空军并部署在德国。
在美国卷入越南之前很久，法国的F-100就已经执行过战斗任务——从法国境内的基地起飞攻击阿尔及利亚的目标，镇压阿独立运动。
当查尔斯·戴高乐总统因不满美国在北约的霸主地位，于1967 年宣布法国退出北约一体化指挥系统后，法国空军部署在德国的F-100都返回法国境内的基地。
法国的F-100从1975年开始退役，至1978年完全由“美洲虎”攻击机所取代。之后这批F-100交还给美国，并飞往英国封存，最后被拆毁。
丹麦空军：丹麦空军自1959 年7月起装备 F-100D/F，总数为48 架 F-100D 和10 架F-100F，这些飞机取代了丹麦空军的共和 F-84G 雷电喷气战斗轰炸机，主要用于近距空中支援任务，次要任务是防空和海上攻击，装备第725 中队和第727 中队。1959年接收首批20架F－100，1961年第二批52架交付。但该机事故频频，首批10架F－100F中就有8架坠毁，48架F－100D中也坠毁了27架。到1968年，丹麦空军的F－100机群已经损失了1/3。丹麦空军的F－100从70年代末开始退役，至80年代初全部淘汰。
土耳其空军：土耳其空军 1950 年代末开始陆续接受了 206 架 F-100C/D/F 超配刀。这些飞机大部分是前 USAF 的存货，也有一些来自丹麦。土耳其空军的 5 个中队装备了超佩刀：第111、131、132、171、178 中队。土耳其的超配刀曾用在 1974 年与希腊的冲突中。最后一架土耳其 F-100D 在1982 年退役。
台湾地区：1969年根据美国参众两院军援决议，从美国获得34架F－100A，并自行组装一架同型机——台湾空军也是除美国外唯一装备过F－100A的部队。后又从美国购得4架F－100F。共装备39架F－100。实际上台湾获得的第一架超佩刀是 F-100F 教练型，于1958 年10 月抵达，随后是1959 年的15 架 F-100A，以及1960 年的65 架F-100A。1961 年末，又获得了4 架无武装的 RF-100A 和38 架前 ANG的 F-100A，使台湾空军的 F-100A 总数达到 118 架，获得了 F-100A 总产量的半数。台湾空军的 F-100A 在交付前大多经过翻新，安装了F-100D 的垂尾和 AN/APS-54 护尾雷达，并且也具备发射响尾蛇空空导弹的能力。1984年9月，台湾空军装备的F－100全部退役。这是世界上最后一批退役的“超级佩刀” 。
1959年1月1日，美国将3架RF-100A转交给台湾空军，由美国飞行员飞抵桃园基地，3月18日第四架也抵达台湾，装备台湾空军第4中队。但这4架RF-100A抵台后由于已经是美军淘汰机种，零配件无法补充，故障率居高不下，并且侦察照片品质也不理想，因此第4中队从未将RF-100A用于台湾本岛以外的侦察任务。RF-100A已无实际使用价值，因此台湾空军1960年12月1日正式下令将RF-100A拆解退役 。
