El P-51D introdujo la carlinga de burbuja para mejorar la visibilidad trasera, rediseñando el fuselaje a partir de la décima unidad de producción del P-51B. El ala se modificó con un carenado adicional sobre el tren de aterrizaje, generando el característico «pliegue» en el borde de ataque. Impulsado por el Packard V-1650-7 (versión bajo licencia del Rolls-Royce Merlin 66), se convirtió en el caza de escolta de largo alcance por excelencia de la Octava Fuerza Aérea sobre Alemania desde mediados de 1944. Se construyeron 8.200 unidades entre las plantas de Inglewood (California) y Dallas (Texas); 100 se enviaron sin montar a Australia y 282 se cedieron por Préstamo y Arriendo a la RAF como «Mustang IV».