洛克希德·马丁公司的JSF方案在设计上较为传统，好似该公司F-22的单发型。该机具有高度隐身的外形设计，短垂型的特点是在座舱后方垂直安装了一台升力风扇，由普惠F119发动机通过驱动轴驱动，发动机尾部安装三轴承旋转矢量喷管，垂操作时向下偏转以提供垂直升力，此外在翼根“腋下”还有两个平衡喷管。
X-35B的升力风扇系统
升力风扇的优势在于最大程度降低了发动机在短垂操作中吸入热废气的可能性，这是困扰短垂飞机的一个普遍问题，会导致发动机推力降低。该机在总体设计上与俄罗斯雅科夫列夫设计局雅克-41“自由式”短垂战斗机相似，其常规起降和舰载型上，升力风扇被油箱代替，此外舰载型还具有较大尺寸的机翼和尾翼。
具有尾钩和更大机翼的X-35C
两个制造商的短垂方案在正常飞行中都具有与常规起降型和舰载型相同的红外特征，这是相对于“鹞”式战斗机的一大改进，后者四个旋转喷管围绕重心布置，为红外制导导弹提供了完美“靶心”。
AV-8B
1996年波音和洛马公司的方案入围决赛，然后两家公司开始研制验证机。惨遭淘汰对麦道公司而言是一个沉重打击，也是该公司随后被波音收购的原因之一。波音和洛马各制造两架验证机，分别编号为X-32和X-35。
1998年波音公司为了降低重量和成本，对其JSF方案进行了重大重新设计，为无尾三角翼增加了平尾，不过X-32验证机并未进行相应更改。波音X-32A常规起降型在在2000年9月18日首飞，X-32B短垂型在2001年3月首飞，并于当年6月开始了短垂试飞。
试飞中的波音X-32A
增加平尾后的X-32全尺寸模型
洛马公司的X-35A常规起降型于2000年10月24日首飞，X-35C舰载型在同年12月16日首飞。随后X-35A被改装为X-35B短垂验证机，安装了升力风扇系统和其他硬件，在2001年6月进行了首次垂直起飞。
2001年10月，洛马X-35成为JSF竞争的获胜者。波音公司被认为在管理方面具有优势，两家公司在成本和支持方面获得了同等评价，但洛马方案被认为具有较低风险，短垂型的升力风扇设计为获胜增加了一大块砝码。洛马公司在2002年夏季发布了F-35的“最终定型”设计。
X-32与X-35
争吵
在F-35研发过程中，英国人与美国人争吵不休。英国人希望对其F-35拥有“作战主权”，使他们能够按照自己的意愿修改和升级飞机。这意味着美国需要提供F-35的计算机源代码，而美国人不愿拱手让出，担心安全性会受到损害。2006年底双方达成了一项协议平息了英国人的愤怒，具体细节至今保密。
英国人在装备F-35B短垂型还是F-35C舰载型上纠结了很长时间，最终选择了F-35B短垂型装备两艘“伊丽莎白女王”级新航母。F-35于2006年夏季被正式命名为“闪电II”，以纪念洛克希德P-38“闪电”和英国电气“闪电”两种战斗机。至于两架波音X-32验证机，现在都成为了博物馆展品。
弹射起飞/拦阻降落版“伊丽莎白女王”级航母概念图
F-35项目一开始的“系统设计与开发”（SDD）阶段涉及制造15架试飞原型机和7架静态试验机身。F-35B在重量控制方面遇到了问题，洛马公司为此对大量结构元件和其他组件进行了重大重新设计，将该机重量减少一吨多，无需在返回两栖攻击舰垂直降落是抛弃昂贵的制导弹药。
F-35A AF-1原型机的首飞
F-35A常规起降型SDD原型机在2006年12月15日首飞，由洛马试飞员乔恩·比斯利操纵。F-35B短垂型在2008年6月11日首飞，2009年初开始常规起降试飞。首架F-35C在2009年7月29日下线，于2011年11月首飞。洛马到2014年初已经制造了超过100架F-35，F-35B于2015年夏天开始在美国海军陆战队正式服役，后者率先宣布F-35形成初始作战能力，美国空军随后在2016年夏宣布F-35A形成初始作战能力。到2018年夏，洛马已经制造了超过300架F-35。
F-35B BF-1原型机的首飞 F-35项目遇到了很多实际困难，导致了管理层的变化，而且随着单价上涨，预计制造数量也将减少。尽管JSF项目希望研制一种可负担的战斗机，但最终成果却仍相当昂贵，当然F-35能够服役数十年，从而摊薄了购买成本。
详解F-35
传感器与软件
F-35的传感器套件由诺斯罗普·格鲁曼公司研制。在JSF的最初计划中，该机被设想为传感器数据的使用者而不是产生者，将从情报收集飞机、卫星和其他来源获取信息，这么设计是为了降低成本。但随着JSF项目的进展，情况有了很大不同，部分原因是人们意识到正在为JSF开发航电新技术比之前认为的要强大。如今的F-35被更多视为传感器数据的产生者，每架飞机都通过高速数据链与其他平台进行交互，提供所谓的“战场电子统治力”。如果其他平台是F-35，则能实现1+1>2的探测能力。
F-35传感器的核心是诺格研制的AN/APG-81雷达，该雷达基于F-22的AN/APG-77有源相控阵雷达研制，天线由具有由高速处理器连接的一系列收发（T/R）模块组成，可为阵列中的不同T/R模块分配不同的任务，也可为需要更高功率或灵敏度的任务分配更多模块。
AN/APG-81雷达
所以F-35的AN/APG-81雷达能够实现多种功能，除了是多模雷达外还可以是主动干扰系统、无源电子防御系统和通讯系统。雷达以一种无法预测的方式在很宽的频率和脉冲模式范围内生成信号，以确保低拦截概率，从而降低F-35因开启雷达而暴露的几率。与F-22的AN/APG-77相比，AN/APG-81的技术更先进，但由于T/R模块更少，所以探测距离相当于前者的三分之二（165公里/90海里）。
美国海军陆战队曾考虑装备F-35双座电子战（EW）型EF-35，但最后决定以F-35B的AN/APG-81实现电子攻击能力，不过目前该计划已经被搁置。
EF-35设想