Gruntowna modyfikacja Aby rozwiązać problem i ocalić F-102, Convair podjął się przeprojektować samolot z uwzględnieniem niedawno odkrytej reguły pól, oraz uprościć produkcję i obsługę techniczną. Zmiany objęły wydłużenie kadłuba o 3,35 m, zwężenie w sekcji środkowej, dwie duże płetwy po obu stronach dyszy silnika, przeprojektowane wloty powietrza, i węższy kokpit. Ponadto wykorzystano mocniejszy silnik J57 i zmniejszono masę kadłuba. Pierwszy ze zmodyfikowanych samolotów, oznaczony YF-102A został oblatany 20 grudnia 1954 i następnego dnia przekroczył prędkość dźwięku. Poprawiony samolot osiągał Ma 1,22 i pułap 16 154 m. Osiągi te spełniały wymagania USAF i pozwoliły na rozpoczęcie produkcji seryjnej.
Seryjne F-102A były wyposażone w SKO Hughes MG-3, który w okresie służby został zastąpiony przez MG-10. Samolot posiadał trzyczęściowy wewnętrzny luk dla rakiet powietrze-powietrze. Początkowo uzbrojenie stanowiło sześć pocisków GAR-1/2/3/4 w wersjach naprowadzanych w podczerwieni i półaktywnie radiolokacyjnie. Pokrywy dwóch przednich luków na uzbrojenie były wyposażone w prowadnice dla 24 (po 12 na każdej pokrywie) niekierowanych pocisków rakietowych kal. 50 mm, później zastąpionych pociskami kal. 70 mm. W późniejszym okresie dodano możliwość przenoszenia pocisku GAR-11/AIM-26 z głowicą nuklearną.