W 1964 roku zespół na krótko przesiadł się na F-105 Thunderchiefy. Karierę tych maszyn w barwach Thunderbirds zakończyła tragiczna śmierć kapitana Eugene’a J. Devlina, którego samolot rozpadł się w powietrzu podczas manewru z dużym przeciążeniem (9 maja 1964 roku). Zespół powrócił na Super Sabre’y (w wersji D). W 1967 roku Thunderbirds pokazali się w swoim 1000. show. W lutym tego roku zespół przeorganizowano i przemianowano z 4520th Air Demonstration Squadron (Thunderbirds) na USAF Air Demonstration Squadron jako stały zespół pokazowy amerykańskich wojsk lotniczych.
Thunderbirds na Phantomach i Talonach W 1969 nastąpiła kolejna zmiana samolotu. Nową maszyną Thunderbirds został F-4E Phantom II. W tym samym okresie na Phantomach latał również zespół pokazowy amerykańskiej marynarki – Blue Angels. Ostatni pokaz na Phantomach odbył się 10 listopada 1973 roku. W następnym roku kryzys paliwowy wymusił zmianę samolotu na bardziej ekonomiczny. Wybrano Northropa T-38 Talona, naddźwiękowy samolot szkolno-treningowy oparty na konstrukcji myśliwca F-5. Pięć T-38 Talonów zużywało w czasie występu tyle samo paliwa, ile jeden Phantom II.