起初 FS-X 要在进气口下方安装类似于 YF-16 CCV 和 AFTI F-16 的两片大型鸭翼，但在 1991 年 12 月 11 日被取消以降低重量和阻力。总体而言 FS-X 的尺寸大幅超越了 F-16，使最大起飞重量为 22,226 千克，而 Block 50 F-16C 为 19,051 千克，但两者都使用相同的 13,154 千克推力的 F110-GE-129 发动机。FS-X 的其他结构变化还包括在机鼻、机翼前缘和进气口采用吸波材料（RAM），在尾部和机身使用钛合金，垂尾根部增加减速伞舱。
F-2 的复合材料用量
与结构上的改动相比，内部航电的改动不是太引人注目：
•三菱电机设计的 J/APG-1 主动相控阵雷达，集成了 800 个 3 瓦的砷化镓发射/接收模块。
•横河电机的 LCD MFD。
•岛津全息 HUD。
•三菱电机研制的内置式综合电子战系统和任务计算机。
•日本航电公司研制的激光 INS，有 4 个备份传统陀螺仪。
•采用更多的随控布局技术，具有更好的稳定性、操纵性和机动性。
由于美国政府拒绝提供 F-16 的计算机源代码，日本不得不自行开发线传系统的软件。FS-X 的飞控软件设计从 80 年代初的三菱 T-2 CCV 项目获益良多。FS-X 采用了控制增稳（CA）、放宽静稳定度（BSS）、机动载荷控制（MLC）、非耦合偏航（DY）、直接侧力控制（DSC）、机动增强（ME）和直接升力控制（DLC）等七种方式的随控布局（CCV）技术，加上日本自行开发的四余度数字式电传操纵系统，从而为提高飞机的操稳性能提供了技术保证。
FS-X 具有单双座两型，双座型具备单座型的所有作战能力，只是减少了内油（从 4,637 升减至 3,948 升），后座没有全息平显，所有型号都安装美军标准的 ACES II 弹射座椅。FS-X 座舱操纵杆和油门杆完全符合 HOTAS 标准，手在杆上就能完成武器发射的动作。
F-2 的座舱 FS-X 的主要空战武器是 AIM-7F/M“麻雀”，AIM-9L“响尾蛇”，三菱 AAM-3，并计划能发射 AIM-120 AMRAAM 或当时正在研制的三菱 AAM-4 主动制导空空导弹。主要的空面武器是三菱 ASM-2 反舰导弹，内置的 20 毫米 JM61A1 加特林转管炮。
作战武器
按照日本防卫厅的要求，研制 F-2 战斗机主要是为了打击海上目标，以达到歼敌于海上的目的。这就决定了 F-2 在武器配备上要以反舰作战为主，在性能上要突出航程和载荷能力，那么该机是否达到了这一要求呢？据介绍，F-2 具有携带和使用多种武器装备的能力。如在空对面武器方面，可带 ASM-1/ASM-2 反舰导弹、340 千克（750 磅）炸弹、CBU-87 集束炸弹，以及 RL-4、AU-3A 和 RL-7 火箭发射器，这三种火箭发射器分别可装 4 枚 137 毫米火箭、19 枚 70 毫米火箭和 7 枚 70 毫米火箭。此外，F-2 还可装备两种型号的 GCS-1 红外反舰制导炸弹，其中 1 型战斗部是 227 千克的 Mk 82 炸弹、H 型战斗部是 340 千克的 M117，这种制导炸弹完全可发射后不管。这些装备使得 F-2 能在远距离精确攻击敌海上和滩头目标。
GCS-1 红外反舰制导炸弹
尽管 F-2 以对海作战为主，但其空战能力也不弱。它不仅保留了原 F-16C 飞机上的 M61A1 型 20 毫米六管加特林机炮，射速每分钟 6,000 发，最大携弹量 511 发。还装备了先进的空空导弹，具有较好的近距格斗性能和超视距作战能力。可携带的对空武器有：红外制导的 AAM-3 和多种型别的 AIM-9“响尾蛇”近距导弹、半主动雷达制导的 AIM-7“麻雀”中距导弹、以及主动雷达制导的 AAM-4 先进中距导弹。其中 AAM-3 和 AAM-4 为日本研制。AAM-3 是在“响尾蛇”的基础上改进而来，据说其寻的头视角比 AIM-9L 导弹还要广，敏捷性更高，弹头威力更大，弹体前方四片翼鳍根部较细长，很像鱼叉，确保了高速机动性。AAM-4 与美国的 AIM-120 先进中距导弹相似，由三菱电气公司研制，1995 年 10 月在太平洋一个小岛上进行过地面发射实验，1996 年开始交付 JASDF 使用。
AAM-3 弹体前方四片翼鳍根部较细长，很像鱼叉
F-2 战斗机两侧翼下各有 6 个外接点，机身下 1 个，总共有外接点 13 个。在作战中可同时使用 11 个外接点，比 F-16C 多两个。从左翼翼尖到右翼翼尖的 13 个外接点，依次编号为 1、2、3、4L、4、5、6、7、8、8R、9、10、11，其中 4L 和 4、8 和 8R 两对外接点在一次使用中只能根据需要各选用一个，1 和 11 号两个翼尖接架现在只能携带近距红外空空导弹。在对海（地）作战中，3-9 号挂架可携带 ASM-1、ASM-2 反舰导弹，CBU-87、340 千克或 227 千克炸弹，凡可携带 CBU-87 集束炸弹的桂架均可挂火箭发射器。在对空作战中，除了中间三个挂架外，其余接点均可携带 AIM-9、AIM-7 或 AAM-4 近、中距空空导弹，也就是说该机最多可带 8 枚空空导弹。
ASM-2 反舰导弹外观与前身 ASM-1 反舰导弹极为相似，不过从火箭推进改为低旁通比涡轮喷射发动机，因此在弹体下方装设进气口；除了外观以外，为了减低电子干扰对导弹命中性的影响，ASM-2 的终端瞄准是采取红外制导
具有良好攻击能力的战斗机的必要条件是本身必须是优秀的武器装载发射平台，可以弹性地携带各式各样的武器。FS-X 是以执行空中阻隔作战和陆海近接空中支援作战为主，而应状况需求兼以执行防空作战，其外挂载武器也依上述之用途而可分为：
•空中遮断作战：ASM-1 和 ASM-2 空射反舰导弹、227 公斤激光制导炸弹；未来将装备 ASM-3 隐身远程空射反舰导弹。
•近距空中支援作战：227 公斤激光炸弹、227 公斤普通炸弹、CBU-87/B 集束炸弹、JLAU3-A(70 毫米) 和 RL-4(127 毫米) 火箭发射器。
•防空作战：AIM-9L、AAM-3 短程空对空飞弹和 AlM-7F/M 中程空对空导弹。
为能携带上述的武器，FS-X 的两翼及机身中线下，一共有 13 点可挂载武器。其中 4、8 和4L、8R 等四点是不能同时挂载的，因此实际可用的只有 11 点。加挂的副油箱有 1,136 升（300 加仑）和 2,271 升（600 加仑）两种。1,136 升副油箱是挂在机身中线下，而 2,271 升的副油箱是挂于主翼下方，这是美国为 FS-X 所研发的新式大型副油箱。主翼下方的挂架每一点都可以使用三联装挂架挂载 3 枚 227 公斤炸弹，大幅增加炸弹携带量。
专为 F-2 设计的 600 加仑副油箱
FS-X 的主要超视距空战武器是 AAM-4（99 式）主动雷达制导中距导弹。该导弹的主承包商为日本的三菱电气公司，日本技术发展研究院参与研制，最初合同经费为 1,500 万美元，原计划到 90 年代初完成全面发展阶段任务，但由于技术和经费原因，到 1994 年才进入全面发展阶段，1995 年底成功地进行了 2 枚原型导弹的地面试验，1998 年底结束全面发展阶段，1999 年开始进入批生产，并将该导弹定名为 99 型导弹。2005 年 4 月~2006 年 3 月，JSADF 为 F-2A/B 集成了 AAM-4 空空导弹。据报道，JSADF 目前正在为 F-2A/B 集成 AAM-5 近程红外制导空空导弹，及相配的头盔瞄准具。由于 F-15CJ 的主要任务是空对空拦截任务，它已优先装备了这些导弹。
AAM-4 导弹长 3.66 米，弹体直径 0.203 米，正常式气动外形布局。战斗部装高爆炸药，重 40 千克。弹体重量 227 千克。飞行速度 4M，半主动/主动雷达双模制导，近炸引信/触发引信。采用 1 台固体火箭发动机，射程据称为 100 千米。
AAM-4 沿用了“麻雀”的弹体
原型机
1991 年 FS-X 案完成细节设计，1992 年 4 月通过审查，同年 5 月完成全尺寸模型，评估完成后正式对外公开。1994 年 2 月，各公司都完成了工程设计，开始制造原型机。
日本防卫厅订购了两架单座 FS-X 和两架双座 TFS-X 原型机，外加两架静态测试机。1995 年 1 月 12 日首架 FS-X 原型机（标上了 TRDI 暂时性的 63-0001 序列号）在三菱小牧南工厂下线，1995 年 10 月 7 日在名古屋附近的小牧航空基地进行了持续 38 分钟的首飞，试飞员是三菱的渡边吉之，时年 43 岁。1996 年 12 月 23 日第二架原型机，单座的 63-0002 也进行了首飞。
首架 FS-X 原型机 XF-2A 63-000163-0001 的下线开光仪式第二架 FS-X 原型机 XF-2A 63-0002
1996 年 FS-X 有了正式的编号——F-2，单座型编号为 F-2A，双座型是 F-2B。1996 年 3 月 22 日首架原型机 XF-2A（63-0001）正式移交防卫厅，3 月 26 日该机前往岐阜基地的自卫队航空研发和试验团展开试飞。两架双座的 XF-2B 原型机（63-0003 和 63-0004）分别于 1997 年 8/9 月交付。两架静态测试机在 TRDI 的立川工厂进行了 6,000 小时的疲劳和结构测试。
XF-2B 63-0003XF-2B 63-0004
4 架原型机分别进行4个方面的测试第一架 XF-2A 主要进行飞行测试。测试飞机的飞行品质，性能、发动机系统测试；第二架 XF-2A 进行飞行品质测试、外挂飞行、电子系统，任务稳定性系统性能测试：第一架XF-2B进行飞行测试、滚转、任务稳定性，系统性能和通信/导航/识别（CNI）系统测试；第 4 架 XF-2B 则是进行火力测试，武器测试投放以及任务稳定性测试。第三架飞机完成了尾旋测试。第四架双座型飞机上由于安装了试验仪器，因此只能有一名飞行员。
XF-2 的 1,000 架次飞行测试被分成 4 个阶段。第一阶段用来进行基本的飞行测试。掌握飞机飞行性能。1995 年第 4 季度开始，1996 年第 3 季度结束。第二阶段测试分配给系统测试、飞机蒙皮和飞机结构测试。这个测试从 1996 年第4季度开始，1997 年第 3 季度结束。第三阶段的测试主要是进行任务稳定性测试。包括机炮发射和其他武器测试，1997 年第 3 季度开始，1998 年第 2 季度结束。第四阶段测试的重点是最终测试，在 1998 年第二季度到 1999 年 3 月进行。
正在进行 AAM-3/4 实验的 XF-2B 63-0004