Die P-51D führte die Tropfenhaube zur Verbesserung der Sicht nach hinten ein; der Rumpf wurde ab der zehnten Produktionseinheit der P-51B entsprechend umkonstruiert. Der Flügel erhielt eine zusätzliche Verkleidung über dem Fahrwerk, die die charakteristische „Falte“ an der Flügelvorderkante erzeugte. Angetrieben vom Packard V-1650-7 (Lizenzbau des Rolls-Royce Merlin 66), wurde sie ab Mitte 1944 zum Langstrecken-Begleitjäger schlechthin der 8. US-Luftflotte über Deutschland. Es wurden 8.200 Einheiten in den Werken Inglewood (Kalifornien) und Dallas (Texas) gebaut; 100 wurden unmontiert nach Australien verschifft, und 282 gingen im Rahmen des Leih-und-Pacht-Gesetzes (Lend-Lease) als „Mustang IV“ an die RAF.