Die Thor-Agena war die leistungsfähigste aller Varianten und war im Auftrag der USAF von McDonnell Douglas bereits 1959 zur Einsatzreife gebracht worden.
Am 21.01.1959 startete das erste SLV Thor-Agena A mit einem Discoverer-Satelliten, allerdings ohne Erfolg.
Die zweistufige Thor-Agena A bestand aus einer Thor DM-19 und einer auch bei dem SLV Atlas ebenfalls verwendeten Agena-A, bekannt auch unter der Bezeichnung Hustler. Sie war wie die Able mit UDMH/HNO4 betankt, verfügte jedoch über einen deutlich höheren Gesamtimpuls.
1960 folgte bereits die Thor-Agena B mit leistungsfähigerer Stufe Thor DM-21 und verlängerter wiederzündbarer Agena-B. Bereits im Jahr 1962 kam die Thor-Agena D mit flugtechnisch verbesserter Agena-D zum Einsatz.
Von 1959 bis 1965 wurden mit einer hohen Frequenz insgesamt 64 Starts fast ausschließlich mit Nutzlasten der USAF durchgeführt (u.a. Discoverer, Key Hole).
Eine entscheidende Erhöhung der Nutzlastkapazität gelang mit der am 29.06.1963 zum erstenmal eingesetzten TAT-Agena B. Die erste Stufe Thor SLV-2A der Thrust Augmented Thor (TAT) erhielt ein schubstärkeres Triebwerk MB-3-III und wurde durch 3 zusätzliche Booster Castor I in der Startphase beschleunigt.
Die TAT-Agena B und D wurden bis 1968 insgesamt 61 mal wieder mit vorwiegend militärischen Nutzlasten gestartet.
Die letzte Version Thorad-Agena D kam ab 1966 zum Einsatz. Die erste Stufe Thor SLV-2G/H der Long Tank Thrust Augmented Thor (LTTAT) wurde gegenüber der LV-2A von 17,37 m auf 21,44 m gestreckt und durchgehend zylindrisch gestaltet. Das Treistoffgewicht konnte damit um 21,2 t erhöht werden. Die 3 Feststoff-Booster Castor I wurden durch Castor II ersetzt. Unverändert blieb das Triebwerk der Thor (MB-3-III). Die Thorad-Agena wurde von der USAF bis 1972 insgesamt 43 mal gestartet. Danach wurde das Gerät ausgemustert.