1958 年 5 月 27 日麦克唐纳公司试飞员 Robert C. Little 驾驶 YF4H-1（142259）完成了首飞，地点在圣路易斯市机场。首飞时起落架没有收起，并发现液压系统和发动机都有些问题，所以首飞时间比原计划缩短，不过飞机还是安全降落了。地面人员更换了右发动机，并把进气道斜板调整为 4 度。第二次飞行在 5 月 29 日，起落架仍然没有收。随后在 5 月 31 日和 6 月 2 日进行的第 3，4 次飞行情况好多了，飞机达到了 1.68 马赫。
142259 号原型机被送往爱德华兹空军基地和 F8U-3 进行对比测试，最终后者于 1958 年 12 月胜出。1958 年 12 月 17 日麦克唐纳公司又获得 24 架 F4H-1 的制造合同（148252~148275），这样生产型总订货量达到了 45 架。
第二架 YF4H-1（142260）于 1958 年 10 月首飞。该机安装了 AN/APQ-50 雷达和完整的后座舱。可调进气道斜板的固定部分设定为 5 度，可调部分设定为 10 度。该机的扰流板没有打孔，在左侧进气道的上部安装有冲压空气涡轮。在紧急情况下该涡轮可以驱动一个应急液压泵给操纵系统提供动力。自动驾驶系统为 ASA-32。YF4H-1 144260 还安装了马丁贝克 MK H5 弹射座椅。1960 年该机具备了发射麻雀导弹的能力。