F-111D
F-111D 是 F-111 先进改型的编号，安装两台普惠 TF30-P-9 发动机，后者最大推力 5,443 千克，加力推力 8,391 千克。该机装备了安装有Mark II 微处理器并改进了空空作战能力的航电，该航电系统也是第一代的“玻璃”座舱。
另外 F-111D 还引入了“三重犁 II”进气口，该进气口旨在解决 F-111 压气机失速的痼疾。“三重犁 II”进气口将与机身侧壁的间距加大到 10.16 厘米，取消了附面层隔板，以改善附面层气流状况，可前移唇口被一组辅助进气门取代。在起飞时，发动机处于全功率状态，而飞机速度不高，弹簧辅助进气门在气压的作用下自动打开以增加空气流量。
“三重犁 II”进气口“三重犁 I”与“三重犁 II”进气口的区别
Mark II 航电系统包括了 7 个主要组件——北美罗克韦尔自动控制分部研制的惯导系统和攻击雷达、IBM 计算机系统、胜家通用精密机器公司基尔福特分部研制的转换器和面板、联合飞机公司诺顿分部研制的 AN/AVA-9 综合显示器、加拿大马可尼公司的多普勒雷达、美国航天公司研制的水平态势显示器、费尔柴尔德·希尔公司的外挂物管理设备。F-111D 的前视攻击雷达是 APQ-130，具备移动目标指示、多普勒波束锐化功能，还可为雷达制导空空导弹提供照射。
F-111D 的 APQ-130 前视攻击雷达
1967 年 5 月 10 日 USAF 开始订购 F-111D，1970 年 5 月 15 日首架 F-111D（68-0085）首飞。该机安装了 P-9 发动机，但没有全套的 Mark II 系统。1970 年 6 月 30 日该机交付美国空军，就在因 1969 年 12 月 11 日 F-111A 坠毁而实施的 F-111 交付禁令被解除后的第一天。
1980年红旗演习中的 F-111D，隶属第 27TFW
F-111D 在达到可服役状态前经历了漫长的研发周期，把多种复杂的电子设备整合在一起确实困难重重。自动控制分部的攻击雷达需要在最初的设计上进行多处改进，诺顿综合显示器也需要进行重大修改。随后雷达又出了问题导致重新设计了多普勒部件，反过来又造成与诺顿综合显示器的接口问题。到 1969 年末 Mark II 仍未研制完成，到 1970 年年中，诺顿综合显示器的问题仍未得到解决。自动控制分部和诺顿之间进行了持续几个月的激烈争吵，诺顿称综合显示器的设计指标高于现有技术水平。
F-111D 座舱，右侧就是诺顿综合显示器
F-111D 的先进航电的研发导致推迟交付，美国空军决定先用较简单的 F-111E 作为过渡。
直到 1971 年 11 月 1 日，第一架 F-111D 才交付加农空军基地的第 27TFW，该联队是第三支装备 F-111 的 TAC 联队。该机是第 6 架 F-111D（68-0090），安装了全套 Mark II 航电，其中包括诺顿生产的早期型综合显示器。1972 年 9 月第 27TFW 形成初始作战能力，最终第 27TFW 的第 522、523 和 524 中队装备了F-111D。
挂载 24 枚铁炸弹的 F-111D
在整个 1972 年间，TAC 的新型 F-111D 在持续的航电故障中渡过。水平态势显示器频发故障、外场地面设备延迟交付，厂家支持也不到位。Mark II 航电存在过多的可靠性和维护性问题，问题非常严重以至于有时不得不去 Radio Shark 购买配件进行维护。整个 1973 年 F-111D 的战备妥善率一直很低，任务失败率却高居 F-111 各型之首。直到 1974 年 1 月 F-111D 才具备完全作战能力。
面对 F-111D 故障频出的航电系统，维护人员苦不堪言
在 1970 年 6 月 30 日~1973 年 2 月 20 日间共有 96 架 F-111D 交付，序列号 68-0085~0180。1991 年剩余的 F-111D 开始退役进入 AMARC 封存。最后一架 F-111D 在 1992 年 12 月抵达 AMARC。
美国空军曾计划生产 RF-111D 侦察型，1969 年 9 月因预算不足被取消，转而研制更便宜的 RF-111A，但后者最后同样被取消。
F-111E
由于 F-111D 的漫长研发与延迟交付，美国空军在 1968 年订购了 94 架 F-111E 作为过渡。该机安装了简化航电和 TF30-P-3 发动机，与 F-111D 相同的“三重犁 II”进气口。尽管 F-111E 的编号在 F-111D 之后，但 E 型却先一步服役。
F-111E 安装了 APQ-113 前视攻击雷达，供导航员使用，可用于导航、空地测距和武器投放，还有有限的空空模式。
1969 年 8 月 20 日 F-111E 首飞，交付从 1969 年一直持续到 1971 年 5 月 28 日，总数量 94 架，序列号 67-115~124 和 68-001~084。
F-111E 三面图
1969 年秋，TAC 第 27TFW 的 F-111E 达到初始作战能力，到 12 月该联队已装备 29 架 F-111E，但只能进行受限飞机，直到空军确认该机的机翼纵梁没有安全隐患。
F-111E 项目在 1969 年 12 月损失第 15 架 F-111A 后被推迟 6 个月，美国空军停飞了整个 F-111 机队，在问题没解决前不再接收新的 F-111。所有的 F-111E 都需要进行 12 月后制定的返工修改和结构检查，1970 年7 月禁飞解除。
F-111E 经过现代化升级之后的座舱，在雷达显示器下方增加了两个多功能显示器
F-111E 安装了完备的雷达方位指示和告警装置，并具有电子战能力，可满足欧洲战场的作战需要。原定装备第 20TFW 的 70 架F-111E中的头两架在 1970 年 9 月 11 日抵达牛津郡上黑福特英国空军基地，1971 年 11 月形成完全作战能力。F-111E 在上黑福特一直部署到 1993 年，由于国防预算的削减和冷战的结束，该机被撤回美国本土基地。
第 20TFW 的 F-111E
第 20TFW 的 F-111E 参加了 1991 年初的“沙漠风暴”行动，部署在土耳其因吉尔利克基地。该机缺乏后期 F-111F 的精确制导武器投放能力，所以在战斗中主要挂载 Mk 82 和 Mk 84 铁炸弹和其他传统武器轰炸伊拉克北部的目标。作战中无一损失，这也是对 F-111E 作战效能的有力证明。
参加了海湾战争的 F-111E 68-0013，在机鼻标上了出动标记