רוברט מקנמארה החל את תוכנית ה-TFX עם דרישות למטוס תקיפה לחיל האוויר שיוכל להוות גם מטוס קרב לטובת הצי. תוכניתו הייתה לחסוך מיליארדי דולרים על ידי פיתוח מטוס המסוגל לבצע את כל המשימות ולענות על כל הדרישות. מאוחר יותר נסוג מקנמארה מעקרון זה, אך המשיך להתעקש על פיתוח מטוסים בעלי איכויות המתאימות לכמה שיותר זרועות ומשימות, ומדיניות זו השפיעה על פיתוחו של ה-F-111 וכן עוד מספר מטוסים דוגמת ה-A-7. במכרז עצמו השתתפו לוקהיד, נורת' אמריקן, בואינג, ג'נרל דיינמיקס/גראמן, מקדונל דאגלס ורפבליק/ווט. מתוך כל ההצעות שהוגשו רק הצעותיהם של חברת בואינג והצעתם המשותפת של ג'נרל דיינמיקס וגראמן התקבלו להמשך המכרז. אף על פי שהתערבות מקנמארה במכרז שהעדיף את הצעת ג'נרל דיינמיקס/גראמן התקבלה בביקורת נוקבת גם מהצד הפוליטי, שהולידה וועדה לחקירת המכרז לחשד לניגוד עניינים ושחיתות, החלטתו גובתה בשיקולים רציניים. בעוד שהדגם שהציגה בואינג תוכנן סביב מנוע ה-MF-295 שהיה באותו זמן בשלב התכנון המוקדם, מה שהבטיח כי המטוס לא יטוס טרם 1967, וכן ההבדל הגדול בין הדגמים המיועדים לחיל האוויר לבין אלה של הצי (כ-50 אחוז רכיבים משותפים בין הדגמים) הדגם של ג'נרל דיינמיקס הסתמך על מנוע ה-TF-30 הקיים והמוכח, בשילוב עם כ-80 אחוז רכיבים משותפים בין הדגמים המיועדים לצי לאלה המיועדים לחיל האוויר, מה שהטה את הכף לטובת הדגם. לבסוף ב-24 בנובמבר 1962 מקנמארה הכריז על ג'נרל דיינמיקס כזוכים במכרז.
מטוסים דומים בעלי גאומטריה משתנה.
ה-F-111 היה מטוס הקרב בעל גאומטריה משתנה המבצעי הראשון. הדגם התת-קולי הישן יותר של הצי XF-10F יגואר בוטל בשנת 1953. המטוס נתן השראה למספר מטוסים במהלך שנות ה-80, אך כנפי גאומטריה משתנה כבר כמעט ולא משולבות בדגמי מטוסים מודרניים, בשל מחירן היקר ומשקלו העודף של מנגנון משיכת הכנף. אף-על-פי כן, פותחו מספר מטוסים דומים, ביניהם הסוחוי Su-17 "פיטר" (1966), מיג-23 "פלוגר" (1967), טופולב Tu-22M "בקפייר" (1969) והטופולב Tu-160 "בלאקג'ק" (1981), מטוס הקרב של צי ארצות הברית F-14 טומקט (1970), המפציץ B-1B לנסר (1974), והמטוס האירופי פאנאויה טורנדו (1974).
שירות מבצעי של דגמי המטוס השונים.
פיקוד האוויר האסטרטגי של חיל האוויר האמריקאי עשתה שימוש ב-FB-111 משנת 1969 עד לשנת 1990.
ה-F-111 היה בשירות חיל האוויר האמריקאי משנת 1967 עד לשנת 1998. הוא נכנס לשירות מבצעי בחיל האוויר האוסטרלי בשנת 1973, ויצא משירות בשנת 2010. חששות על כך שחיל האוויר האוסטרלי לא מצא מחליף לדגם החל מפרישתו בחיל האמריקאי ועד להצגתו של המטוס F-35, פגו כאשר מחלקת ההגנה האוסטרלית הודיעה ב-7 במרץ 2007, שהחיל ירכוש 24 מטוסי F/A-18F סופר הורנט, כשהראשון שבהם אמור להימסר בשנת 2010 והאחרון ב-2011.
F-111A.
ה-F-111A היה דגם הייצור הראשון. היו לו מנועי TF30-P-3 בעלי דחף יבש 53 קילו-ניוטון, ועם מבערים אחוריים 82 קילו-ניוטון, וכונס אוויר בעל גאומטריה משתנה, כולם תרמו למהירותו ואפשרו לו להגיע למהירות מרבית של 2.2 מאך (2,300 קמ"ש) בסייג הרום שלו. אף על פי שמנועים אלו סבלו מהזדקרויות מדחס תכופות שבעקבותם בוצעו שינויים במנועים ששילשו את מחירם, בעוד מחיר השלדה של המטוס ירד.
מערכות האוויוניקה של הדגם כללו מכ"ם תקיפה של חברת ג'נרל אלקטריק מדגם AN/APQ-113, ששולב יחד עם מכ"ם עקיבת תוואי קרקע של חברת טקסס אינסטרומנטס מדגם AN/APQ-110 מתחת לאף המטוס, ומערכת הנחיה ותקיפה מדגם AJQ-20.
יוצרו בסך הכלל 158 מטוסים מדגם זה, ביניהם 17 גרסאות טרום-ייצור שלאחר מכן שודרגו והעלו לרמת מטוסי הייצור.
הדגמים הראשונים של המטוס נקלטו ב-18 ביולי 1967 לטייסות 428, 429 ו-430 של מפקדת הכנף 474 בחיל האוויר האמריקאי בניו מקסיקו, שהועברו בשנת 1968 לבסיס נליס.
לאחר בחינה מוקדמת, שישה מטוסים נשלחו במרץ 1968 לדרום-מזרח אסיה, לצורך בחינתם בתנאי קרב אמיתיים בווייטנאם. לאחר מעט יותר מחודש, שלושה מטוסים אבדו ובחינות הקרב הופסקו. התברר שכל שלושת המטוסים התרסקו כתוצאה מכשל במנגנון משיכת הכנף, ולא מפעולות האויב. הדבר הוביל לסערה של האשמות פוליטיות, כאשר סנאטורים אמריקאים גינו את החלטת מזכיר ההגנה דאז, רוברט מקנמארה, לרכוש את המטוסים.
מאחורי הקלעים, בוצעו תחקירים, הלקחים נלמדו ונעשו תיקונים והתאמות במערכת, אך מפקדת כנף 474 שבה לפעילות מבצעית רק ביולי 1971. בחינות חוזרות שנערכו בשנת 1969 גילו שקבלן משנה הצליח לשחד מפקחים כדי שיאשרו עבודה לקויה על מרכיבי הכנף, והיה צורך להחליף את כנפי המטוסים בעלות גבוהה (מאחר שלרוב מטוסי ה-F-111A כבר הורכבו הכנפיים הלא-תקניות). כמו כן התגלו תקלות נוספות והן תוקנו על ידי ריתוך נקודתי בכנפיים.
בספטמבר 1972 שבו מטוסי ה-F-111 לדרום-מזרח אסיה, כדי להשתתף במבצעים ליינבייקר וליינבייקר 2 כנגד כוחות הצפון. משימותיהם לא הצריכו תדלוק אווירי או שימוש בלוחמה אלקטרונית, והם יכלו לתפקד במזג אוויר שקירקע את רוב המטוסים האחרים. מטוס F-111 יחיד יכל לשאת מטען פצצות של ארבעה מטוסי F-4 פנטום. ערכו המבצעי של המטוס עלה, ולאחר מעל 4,000 משימות תקיפה בשמי וייטנאם, אבדו רק שישה מהמטוסים.
בשנת 1977 הועברו דגמי המטוס שנותרו למפקדת הכנף 366 לבסיס מאונטיין הום, אל טייסות 389 ו-391.
בשנת 1982 ארבעה מטוסי F-111A ששרדו שודרגו לרמת דגם F-111C, וניתנו לאוסטרליה כתחליף למטוסים ישנים. למטוסים הותקנו כנפיים ארוכות יותר וכן נסע משופר של ה-F-111C, וכתוצאה לא היה הבדל בינם לבין דגמי ה-F-111C החדשים יותר. כמה מדגמי ה-A שנמסרו לחיל האוויר האוסטרלי השתתפו במלחמת וייטנאם, ולכאורה עדיין נשאו את הצלקות של אש הנ"מ.
42 מטוסי F-111A הושבחו לדגם EF-111A "רייבן" (עורב), שנועד ללוחמה אלקטרונית. ניתן להבחין ביניהם לבין הדגמים הרגילים על ידי הציוד הבולט מעל לזנבות המטוסים, מאפיין שהעניק למטוסים האלה את הכינוי "זנב שמן" (Fat Tail).
שלושה דגמי טרום-ייצור נמסרו לנאס"א לצורכי מחקר שונים. לדגם אחד הותאמה כנף בשיפוע משתנה כחלק מתוכנית שבאה ליצור מטוס קרב מתקדם יותר בשנות השמונים; הדגם הועבר למוזיאון חיל האוויר האמריקאי בשנת 1989.
רוב המטוסים מדגם F-111A שלא הושבחו לרמה של דגמים מתקדמים יותר הוצאו משירות בשנת 1991, והועברו למרכז AMARC, שנמצא בסיס חיל האוויר דייוויס מונט'אן.
F-111B.
דגם B יועד להיות מטוס קרב של הצי האמריקאי, שימלא את הדרישה עבור מטוס קרב שיוכל לשאת טילים כבדים לטווח רחוק ויגן על נושאות המטוסים מהטילים הסובייטים נגד אוניות. הצי רק ביטל את דגם המטוס F6D "מיסילר", דגם מטוס סילון איטי בעל כנף קבועה ומכ"ם מתקדם יוז AN/AWG-9, שאמור היה להיות מסוגל לאתר מטרות ברום טיסה נמוך, וכן לשאת שמונה טילי אוויר-אוויר חדשים ארוכי טווח מדגם AIM-54 "פניקס", ולתקוף מספר מטוסי קרב בו זמנית החל מטווח 160 ק"מ. פיתוח הדגם בוטל, אך ה-F-111 היה יעיל יותר בשל טווח טיסתו, יכולת נשיאת כלי הנשק ויכולתו להגיע למהירות 2 מאך וכך ליירט מטרות במהירות, אבל עם כנפיים משוכות ומנועי טורבו-מניפה, הוא יכל לשהות באוויר לפרקי זמן ארוכים יותר. דגם F-111B נשא שישה טילי פניקס, אך לא הותאם לו תותח או כל חימוש לטווחים קצרים. מאחר שלחברת ג'נרל דיינמיקס לא היה ניסיון בייצור מטוסי נושאות מטוסים, היא נכנסה לשותפות עם חברת גראמן ליצירת הדגם.
דגם F-111B היווה פשרה שניסתה ליישב את דרישות הצי השונות מאוד מאלה של חיל האוויר, שתכנונו הבסיסי היה להיות מטוס תקיפה על-קולי, וההתפשרויות האלה יכלו לפגוע בשני הצדדים. הצי העדיף שיהיו במטוס שני מושבי טייסים זה לצד זה, כבדגם המיסילר. דגם B היה קצר יותר מדגם A, כדי לאפשר את התאמתו למעליות של נושאות המטוסים, אך היו לו מוטת כנף ארוכות יותר (21.3 מטר בהשוואה ל-19.2 מטר) כדי להגדיל את טווח הטיסה ונתוני השיוט. אף כי הצי דרש צלחת מכ"ם של 122 ס"מ לטווח רחוק, הוא נאלץ להתפשר בצלחת של 91.4 ס"מ לצורך תאימות עם דגם חיל האוויר. הצי ביקש משקל המראה מרבי של 22,686 ק"ג (50,000 ליברות), אך מזכיר ההגנה של ארצות הברית הכריח אותם להתפשר על 24,955 ק"ג (55,000 ליברות). היעד של הפחתת משקל המטוס הוכח כאופטימי מדי, אם כי ה-F-14 "טומקאט" וה-F/A-18E/F "סופר הורנט" עברו את יעדי משקלם.
בעיית משקל היתר הקשה על פיתוח דגם B לאורך כל התוכנית. לא רק שאבות-הטיפוס שקלו הרבה מעל הדרישה המרבית של 24,955 ק"ג, אלא גם ניסיונות לתכנן מחדש את שלדת המטוס החמירו את המצב. משקלו העודף של המטוס הפך אותו לבלתי-כשיר. למעשה, נאמר שבעת נחיתה על נושאת מטוסים הדגם לא יוכל לשמור על טיסה מאוזנת בעזרת מנוע אחד, דבר שיהווה בעיה גדולה במצבי חירום. גרוע מכך, הראות מתא הטייס לא התאימה לנחיתות אלו.
הדרישות בעבור דגם F-111B שנוסחו לפני הלחימה האווירית בווייטנאם בשנת 1965, הראו שהצי היה זקוק למטוס קרב שיוכל ליירט את מטוסי המיג מטווח קרוב. הצי חשק במטוס קרב שביצועיו יעלו על אלו של ה-F-4 "פנטום" אך במהלך הניסויים, כושר התמרון וביצועי המטוס ברום טיסה בינוני היו בבירור נחותים לעומת אלה של הפנטום. במהלך הדיון בקונגרס על המטוס, סגן אדמירל תומאס "טום קאט" קונולי מחיל האוויר, הגיב לשאלת אחד הסנאטורים אם מנוע חזק יותר יפתור את בעיות המטוס באומרו "אין מספיק כוח בעולם כולו כדי להפוך את המטוס הזה למה שאנחנו רוצים".