Um mit der steigenden Masse der CORONA-​J Satelliten Schritt zu halten und der Forderung nach größeren Treibstoffvorräten der Agena-​D für längere Operationen entgegenzukommen, beauftragte die USAF die McDonnell Douglas Corporation mit der Entwicklung eines weiter leistungsgesteigerten Modells der TA-​Thor Agena-​D. Dort ging man das Problem mit zwei Modifikationen des bisherigen Designs an. Die bisherigen Feststoffbooster „Castor I“ wurden gegen „Castor II“ getauscht. Diese erbrachten zwar einen etwas geringeren Schub, brannten aber dank eines größeren Treibstoffvorrats deutlich länger und erbrachten einen 16% höheren spezifischen Impuls. Zum Einsatz kamen drei Booster, bis zu neun wären aber mit geringen Modifikationen möglich gewesen. Die noch stärkeren Versionen wurden studiert und angeboten, jedoch weder von der NASA noch vom Militär beauftragt. Das Motorgehäuse der Booster war weiterhin aus Stahlblech gefertigt, die ablativ gekühlte Düse starr mit 11° zur Längsachse geneigt. Deren Öffnungsverhältnis betrug 7,5:1. Gravierender waren aber die konstruktiven Veränderungen an der bisherigen Thor LV-​2 A Grundstufe. Deren Zelle wurde um rund 4 m (13 ft.) verlängert und das bisher konische Oberteil mit dem Treibstofftank auf den selben Durchmesser aufgeweitet wie der darunter liegende Oxidatortank. Die Treibstoffmenge der Erststufe stieg dadurch um fast 45 %. Auch hier resultierte daraus eine deutlich längere Brenndauer statt eines höheren Schubs. Als Triebwerk fand weiter das bewährte, hydraulisch bis zu 7° um zwei Achsen schwenkbare, Rocketdyne MB3 Block III Modell Verwendung. Nach dessen Brennschluß übernahmen zwei kleine Vernier-​Triebwerke noch für etwa 9 Sekunden die 3-​Achsen-​Kontrolle. Im etwa 80 cm hohen Zwischenraum zwischen dem Sauerstofftank (unten) und dem Kerosintank (oben) war das Telemetriesystem des Thor-​Boosters untergebracht. Da die Agena-​Oberstufe einen integralen Bestandteil der geheimen CORONA Nutzlast bildete, sind eventuelle konstruktive Veränderungen hier bisher nicht bekanntgeworden. Lediglich vier zivile Einsätze erfolgten für die NASA, bei denen weitgehend serienmäßige Agena-​D Oberstufen zum Einsatz kamen. Deren Triebwerk war um zwei Achsen schwenkbar, die Rollkontrolle übernahm ein Kaltgassystem auf Basis von Stickstoff und Tetrafluormethan. In der Agena war auch das BTL-​600  Funkkommandosystem untergebracht, das die Kontrolle über die Oberstufe in angetriebenen wie auch der Freiflugphase übernahm. Dagegen wurde die Erststufe von einem Autopiloten gesteuert, der in der kurzen Übergangssektion zur Oberstufe untergebracht war. Die NASA setzte bei ihren Starts eine in zwei Halbschalen geteilte Standard-​Nutzlastverkleidung ein, die aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt wurden und mit Aluminium-​Längsholmen stabilisiert waren. Den Übergang zur Agena-​Oberstufe bildete eine ringförmige Aluminium-​Struktur.
Trotz der nicht unerheblichen konstruktiven Änderungen war die Neuentwicklung aus Sicht von USAF und NRO vergleichsweise günstig zu realisieren und steigerte die Nutzlast für die typischen erdnahen polaren Bahnen um etwa 180 kg (400 lb). Am 05.01.1966 kaufte die USAF die ersten 21 Thorad (Thor Augmented Delta) Grundstufen. Folgende Produktionsaufträge betrafen nur noch dieses Modell (und seine Weiterentwicklung). Letztlich endete mit der LTTAT (Long-​Tank Thrust-​Augmented Thor) aber die Thor Serie. Die USAF hatte keine passenden Nutzlasten mehr und die NASA setzte auf die Weiterentwicklung der eigenen Delta-​Rakete. Ab 1968 kam bei dieser auch eine Variante der DSV-​2 L Grundstufe zum Einsatz.
Von der Thorad-​SLV2G Agena-​D war bekannt, daß sie bei sich leerenden Tanks empfänglich für heftige POGO Schwingungen war. Der einzige Fehlstart hatte damit aber nichts zu tun, er resultierte aus menschlichem Versagen (Montagefehler).