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  1948年10月8日,美國空軍高階軍官委員會建議美國空軍,須儘早為1954年投入新型攔截機進行前置準備;1949年2月4日,美國空軍層峰接受委員會的提議,預定在隔年(1950年)開標;1949年11月,空軍決定新型攔截機將配備射控系統,機身與射控合而為一則稱為武器系統。  1950年1月,美國空軍司令部向50家廠商投發射控系統的需求建議書,計劃代號MX-1179,其中18家在收到公文後做出答覆;至1950年6月,稽核名單已刪減至10家;由美國空軍防空指揮部(後更名美國空軍航太防禦指揮部)指揮官高登·菲利浦·薩維爾少將為首的委員會審查其餘幾家方案,同時也向美國空軍首席科學家徵詢相關意見,歸納各方見解後,射控系統的競爭廠商被縮減為兩家:休斯飛機公司、北美航空。雖然美國空軍期望同時培植兩間廠商,但薩維爾將軍決定選擇休斯飛機作為研發機載射控系統的主合約商,研發合約在1950年10月2日簽訂。  機身部分,美國空軍在1950年6月18日提出RFP,最後有6間飛機公司回覆;1954年7月2日,美國空軍與康維爾、洛克希德、共和飛機公司簽約,授予這三家廠商打造1954年攔截機(Project MX-1554)的機身原型。康維爾的機身概念源自在1945年起研究,1948年試飛的XF-92戰鬥機;因為同時發展三個型號的價格太昂貴,1951年11月,僅剩康維爾代號Model 8-80設計被允許繼續發展;至此康維爾成為這次競標的最終贏家,原型機也被授予XF-102的代號。  由於與新型機配套的火控系統及發動機都遇到研發延宕,新型機面臨得延期等待子系統的困境,為趕在時程內投產,軍方建議原型機與先導量產機換用效能並不優秀的J40渦輪噴射發動機與E-9射控系統(休斯飛機為F-86D戰鬥機研發的火控系統),待正式量產機時才配合上引進J67(奧林帕斯渦輪噴射發動機授權生產版本)與新型射控裝置,但J40發動機也遇到研發失敗的狀況,逼使美軍在原型機動力擇定再更換成J57渦輪噴射發動機;這型戰機最終以代號F-102A的身份定型,至於全備型則稱為F-102B,未來更名為F-106。  YF-102在1953年10月23日在愛德華空軍基地首飛,但是在9天后便墜毀。第二架YF-102在1954年1月11日首飛,隨後康維爾生產了10架YF-102,但其飛行引數糟糕透頂;康維爾在風洞試驗發現YF-102穿音速阻力太大,難以突破音障;實機測試時確定極速無法跨越0.98馬赫。這時,NACA蘭利航空實驗室的理察·惠特科姆博士(跨音速面積率的發現者)提議按照面積率重新設計YF-102的機身來降低阻力。YF-102在1954年除了繼續測試可能存在的氣動力缺陷外,同時也進行重新設計改造,將機身延長11英尺(3.35米)、機身中段內縮(暱稱可樂瓶)、機尾兩側增設大型整流罩、全新設計較窄的座艙罩、減輕機體結構重量、並換裝推力更強的J57-P-23;重新設計的原型機代號YF-102A,1954年12月20日試飛,並在隔日21日測試時突破音障達到1.22馬赫極速,最高升限也增加至53,000英尺(16,154米),F-102也成為世界上第一種成功應用了面積率的飛機。雖然空軍對F-102的飛行表現仍不滿意,但已經足夠讓空軍得到充分成績修改1954年3月簽訂的合約。  1955年,F-102A開始量產;1956年F-102A交付部隊;F-102A的火控系統為休斯MC-3,後續升級為MC-10。F-102在1958年停產,但是在服役生涯中一直有升級增裝新配件,包括紅外線搜尋和跟蹤系統、雷達預警接收器、改良的姿態指引儀等;還有一些改良提案最終並未執行,如固定機砲、外掛硬點、空中加油口、增大的內部油箱等。  康維爾在F-102上的經驗,使它成為美國飛機廠商中少數掌握超音速三角翼飛行器特性的公司,除了後續改良型F-106,在研發B-58轟炸機時也運用了三角翼構型滿足超音速需求。

  F-102主要部署在北美大陸,美國和加拿大的要地,用來攔截蘇聯的遠端轟炸機。因此F-102的飛行員一度不用出現在第一線作戰。小布什也曾經在德克薩斯服役時駕駛過F-102 。  F-102也參加了越南戰爭,佈署緣由是因為美軍在越南佈署的陸基防空雷達接觸訊號中,懷疑有蘇聯伊留申-28轟炸機的存在,美軍擔心遭到襲擊,因此在1962年輪調了F-102分遣隊進駐東南亞美軍空軍基地。  一共有14架F-102損失於越南戰場,其中一架被越南的戰鬥機擊落,其餘的被防空炮火擊落;1968年,所有派駐東南亞的F-102都撤回到美國。  F-102機隊在一次被稱為弧光行動的任務中,遭遇了首次也是最後一次的空戰損失。護衛B-52同溫層堡壘轟炸機的F-102機群其中1架在3萬6千英尺的高度遭越南民主共和國空軍的米格-21發射AA-2導彈擊落,該架米格機接近時沒有任何護衛機發現;AA-2導彈雖然沒有立即爆炸,但是飛行員察覺機體穩定性出現問題,在僚機檢視狀態時察覺遭到偷襲,F-102隨即爆炸,駕駛員未能彈射當場戰死。其它伴隨的F-102發射了AIM-4導彈試圖擊落那架攻擊後撤出的米格-21,但攻擊的導彈無一命中。  有一種說法說F-102也參加過一些對地攻擊任務,主要是襲擊越南的胡志明小道。他們使用一些紅外線制導空對地導彈和無導引火箭彈。作戰時由充當指揮機的雙座TF-102引導若干架F-102A進行攻擊。 1973年,有6架F-102A被改裝成了拖靶機,稱為QF-102A。被改做無人靶機的F-102被稱為PQM-102。此後開始了一項工程,將上百架已經老化的F-102改造成靶機,用來模擬米格-21。改造的靶機起初被用來訓練F-4和F-106,後來則用於訓練愛國者導彈系統和F-15戰鬥機。  同年,F-102從美國空軍退役並轉交給國民警衛隊。一共裝備了9個大隊。部分F-102在整修後軍援給希臘和土耳其。剩餘的飛機則被用作靶機,  賣給土耳其的F-102A參與了1974年入侵塞普勒斯的作戰,並且和希臘空軍發生了空戰。有兩架F-102A被希臘擊落,但他們也擊落了一架F-5。1979年希臘和土耳其的F-102也退出現役。美國的PQM-102最後一次使用是在1986年。現在,還有一些F-102儲存在博物館裡,雖然他們都已經不能飛行了。
F-102三角劍(Delta Dagger)是美國康維爾公司研製的一種單座攔截機,也是美國空軍第一款運用的三角翼戰機,1956年起服役。主要任務是在冷戰期間攔截蘇聯戰略轟炸機,她在匯入面積率改良飛機設計後達成超音速飛行效能,取代了1950年代以前推出的次音速攔截機。但因為效能仍缺陷重重,隨後遭改良型F-106三角標槍戰鬥機給取代;至1960年代後F-102攔截機多數撥交美國空中國民兵或改造為QF-102無人靶機,部分外銷。