Rozpiętość skrzydeł nowej wersji była mniejsza o 15 cm. Zmieniono prowadnice dla pocisków Sidewinder, umożliwiające zamontowanie 2 sztuk z każdej strony, chociaż w praktyce nigdy nie podwieszano więcej niż po jednej. Zmieniono również fotel wyrzucany na brytyjski Martin-Baker Mk 5 (ostatecznie wymiany fotela dokonano także we wcześniejszych modelach).
Pierwszy egzemplarz F8U-2 był produkcyjnym F8U-1 ze zmienionymi silnikami i został oblatany w grudniu 1957 roku. W styczniu 1958 oblatano drugi prototyp bardziej zbliżony do wersji produkcyjnej, a w sierpniu tego roku wyprodukowano pierwszy seryjny egzemplarz.
Testy wersji F8U-2 wykazały jego zdolność do osiągania prędkości bliskich Ma 2 i jednocześnie bardzo dużej prędkości wznoszenia. Produkcję samolotu tego typu zakończono we wrześniu 1960 roku po zbudowaniu 187 egzemplarzy. Po 1962 oznaczona F-8C.
F8U-2N (F-8D)