Как и большинство самолетов ВВС США, созданных в конце 50-х годов, истребители-бомбардировщики F-105 «Тандерчиф» сменили на протяжении своей карьеры массу «одежек». Оба прототипа YF-105А не красились — самолеты имели цвет натурального дюраля. Маркировка машина была стандартной для ВВС США того периода, антибликовая панель перед козырьком фонаря кабины грязно-оливкового цвета (цвет ANA-613).

Прототип YF-105B также не был покрашен, но к этому времени ВВС ввели яркие элементы окраски на опытных самолетов для уменьшения вероятности столкновения самолетов в воздухе. Чтобы удовлетворить этим требованиям прототипы получили яркие флуоресцентные желто-оранжевые элементы окраски (сначала краска желто-оранжевая ANA-634, с 1960 г. — красно-оранжевая ANA-633). Смена цвета была связана с большим на 25 % сроком службы краски ANA- 633. Перед испытаниями на штопор прототип YF-105В (заводской номер 54-0100) перекрасили в ярчайший желтый цвет с голубой/красной/черной эмблемой фирмы Рипаблик в носовой части фюзеляжа ниже фонаря кабина.

Три самолета JF-105 также имели цвет натурального металла с грязно-оливковыми антибликовыми панелями. Яркие элементы окраски красно-оранжевого цвета на крыльях, киле и фюзеляже были индивидуальными.

Серийные истребители-бомбардировщики F-105B, поступившие на вооружение 4-го тактического авиакрыла, также были цвета натурального металла с грязно-оливковыми антибликовыми панелями, кроме того, по бортам фюзеляжа в районе кабины самолеты несли эмблему крыла в виде головы индейца. Вокруг носовой части фюзеляжа и на вертикальном оперении наносилась широкая полоса зеленого цвета в окаймлении более тонких белых и черных полосок — цвета 4-го авиакрыла. На самом первом «Тандерчифе» (F-105B-6, заводской номер 54-0111) изображение головы индейца имелось непосредственно на фоне зеленой полосы (на киле), для лучшей заметное-, ти при фотосъемке. Снимки этого самолета широко разошлись по всему миру, однако следует помнить, что F-105B-6 с заводским номером 54-0111 — единственный с таким расположением эмблемы.

В начале 1960 г. появилась эмблема Тактического авиационного командованимя ВВС США современного образца, которую стали изображать на вертикальном оперении всех самолетов. Эмблема представляет собой геральдический щит (эмблему ВВС США) наложенный молнию желтого цвета с черной окантовкой.

Произошедшие в 1963 г. изменения во внешнем облике «Тандерчифов» связаны с особенностями эксплуатации неокрашенных самолетов в Западной Германии. Снежно-дождливый климат провоцировал развитие коррозии ничем не защищенного металла. В срочном порядке все «европейские» истребители- бомбардировщики F-105 был окрашены акриловым алюминизированным лаком в пропорции 1 галлон чистого лака на один галлон растворителя плюс 1/12 галлона алюминиевой пасты.

В июле 1965 г. командование ВВС распорядилось нанести на все истребители-бомбардировщики F-105 камуфляжную окраску, идентичную используемой на самолетах, принимающих участие в боевых действиях в Индокитае. Апробацию схема камуфляжа проходила на самолетах дислоцированных в Западной Европе 36-го и 49-го авиакрыльев. Окраска представляла собой пятна коричневого и двух оттенков зеленого цвета на верхних поверхностях и полностью серые нижние поверхности. Было предложено несколько «модификаций» опознавательных знаков для нанесения на рисунок камуфляжа. Одним из первых испытывался вариант в виде пятиконечной звезды черного цвета черными прямоугольниками по бокам. Вариант пришлось откинуть по дипломатическим причинам — черный цвет вызывал неприятные аналогии с пиратами. В результате приняли обычный многоцветный рисунок опознавательного знака, но уменьшенного размера — диаметр, описанной вокруг звезду окружности -15 дюймов.

Самолеты двух крыльев, размещенных в Таиланде перекрашивали партиями по три или по шесть машин. Во времена, когда «Тандерчифы» летали неокрашенными, на килях всех истребителей-бомбардировщиков изображались многоцветные эмблемы эскадрилий. По началу эмблему наносили и на камуфляжный рисунок, но через коротких срок от них отказались; уже нарисованные эмблемы были закрашены. Самолеты приняли довольно унылый боевой облик без ярких пятен, однако в 1968 г. ввели двухбуквенные коды подразделений (первая литера — авиакрыло, вторая — эскадрилья). Литеры высотой 24 дюйма (610мм) наносили белой краской с обоих сторон киля на все самолеты Тактического авиационного командования ВВС США, включая «таиландские» авиакрылья.

Незадолго до появления на килях «Тандерчифов» буквенных кодов изменения коснулись написания серийного номера. Ранее все цифры наносились черной краской, высота цифры составляла шесть дюймов (152мм), но так как последние три цифры номера часто использовались как радиопозывной их сделали более крупными для лучшей заметности, высотой 16 дюймов (406мм).

Традиционно американские летчики, принимавшие участие в боевых действиях старались повысить свой моральный дух разного рода «веселыми картинками» на фюзеляжах своих самолетов. Пилоты «Тандерчифов» в этом отношении исключением не являлись. Чаше всего рисунки наносили в районе кабины по левому борту самолета. Так же традиционно дизайн рисунка выбирал не летчик, а «чиф» — глава наземной команды, обслуживавшей самолет.

Очень часто обтекатель РЛС окрашивался в цвет эскадрильи, на обтекателе контрастной краской писали три последние цифры серийного номера. Так в на самолетах 34-й эскадрильи 388-го авиакрыла обтекатели РЛС окрашивались в черный цвет, 44-й эскадрильи — в желтой, 469-й эскадрильи — в зеленый.

Часть самолетов 388-го авиакрыла действовала ночами, нижние поверхности этих машин покрывались пятнами оливково-зеленого и коричневого цветов. В начале 1968 г. эти «Тандерчифы» привели к единому для всех самолетов стандарту со светло-серыми нижними поверхностями.