באוקטובר 1967, הצי ארצות הברית השתכנע לבסוף שתוכנית F-111B הייתה לא מעשית והמליץ על ביטולה בשנת 1968, לאחר ששמונה מטוסים כבר נקלטו ושניים מהם התרסקו בתאונות. תצורת הכנף המשוכה לאחור, המנועים מדגם TF-30, טילי הפניקס והמכ"ם שתוכננו עבור המטוס (וגם הדגם הקודם שבוטל, F6D מיסילר) נוצלו בפיתוח ה-F-14 טומקאט שאף הוא תוכנן על ידי חברת גראמן. הטומקאט היה עתיד להיות גדול דיו כדי לשאת את המכ"ם AWG-9 ואת מערכות הנשק של טילי הפניקס ובעל יכולת תמרון שלו תהיה טובה יותר משל ה-F-4.
F-111C.
דגם F-111C היה גרסת ייצוא לאוסטרליה, המשלבת מערכות אוויוניקה של הדגמים F-111A/E, אורך מוטת כנפיים מוגדל, וכן נסע כבד יותר שיועד במקור לדגם F-111B. בשנת 1963 הוזמנו 24 דגמים, אבל עיכובים בפיתוח ובעיות מבנה מנעו מהם להיכנס לשירות עד לשנת 1973.
ארבעה מטוסים הוסבו לדגם מטוס הביון RF-111C, תוך כדי שמירה על יכולות התקיפה שלהם. המטוס מדגם RF-111C נשא מערכת סיור בעלת 4 מצלמות ומערכת מבוססת אור תת-אדום.
דגם F-111C צויד כך שיוכל לשאת פודי לייזר/פליר של חברת Pave Tack, והדגמים הבאים עברו שדרוג של מערכות האוויוניקה, שכללו מכ"ם תקיפה מדגם AN/APQ-169 שהחליף את הדגם המיושן AN/APQ-113, מכ"ם עקיבת תוואי קרקע מדגם AN/APQ-171, גירוסקופ המיועד למערכת ההנחיה האינרציאלית, מקלט GPS, אפיק נתונים (החיבור בין המעבד הראשי לזיכרון) דיגיטלי מודרני, מחשב מתקדם, מערכת בקרת ירי וצגים רב-תכליתיים בתא הטייס. הותקנו מנועי TF30-P-108/109RA בעלי דחף 93 קילו-ניוטון. ארבעה מטוסים מהדגם F-111A של חיל האוויר האמריקאי הוסבו לדגם F-111C, ונשלחו לאוסטרליה כתחליפים.
בסוף שנת 2001 התגלו בעיות עייפות החומר בכנף אחד מהמטוסים מדגם F-111C. כתוצאה, בחודש מאי 2002 הוחלט להחליף את הכנפיים בתחליפיים שנלקחו ממטוסים מהדגם F-111F של חיל האוויר האמריקאי. הכנפיים הקצרות עברו תהליך של שיפוץ והתאמה באוסטרליה, שכלל את הארכתם כדי להתאימם למטוסי ה-F-111C וה-F-111G.
הדגם F-111 שימש את חיל האוויר האוסטרלי עד לשנת 2010. בשנת 2010, צי מטוסי ה-F-111 ויצא משירות והוחלף על ידי 24 מטוסי F/A-18F "סופר הורנט". המשלוחים האחרונים של המטוסים החדשים יגיעו בסוף שנת 2011.
F-111D.
דגם F-111D היה שדרוג של דגם F-111A שכלל מערכות אוויוניקה "סימן 2", מנועים חזקים יותר, מבנה כונס אוויר משופר, ותצוגות רב תכליתיות. המטוס הוזמן לראשונה בשנת 1967, בעיות נרחבות בפיתוח עיכבו את כניסתו לשירות עד לשנת 1974, ורק 96 מטוסים מדגם זה יוצרו.
המטוס דגם D השתמש בפתחי אוויר חדישים "Triple Plow", שהורחקו כ-10 ס"מ משלדת המטוס כדי למנוע חדירה של שכבת אוויר "כבדה" למנוע, שגרמה להשתנקויות והזדקרויות מדחס במנועי הטורבו-מניפה מדגם TF30. לדגם היו מנועים חזקים יותר מדגם TF30-P-3 בעל דחף יבש של 53 קילו-ניוטון, ודחף של 82 קילו-ניוטון עם מבערים אחוריים.
שיפור משמעותי יותר היוותה חליפת מערכות האוויוניקה סימן 2. מערכות אלו היו מערכות משולבות דיגיטליות, מהראשונות בשימוש חיל האוויר האמריקאי. את היכולות החדשות שאפשרו המערכות, ליוו קשיים טכניים משמעותיים. המכ"ם הראשי מדגם AN/APQ-114 מתוצרת חברת ג'נרל אלקטריק, כלל ניתוח דופלר לשיפור האבחנה ויכל לזהות מטרות נעות, ומצב שידור רציף להנחיית טילים עם ביות חצי אקטיבי (יכולת שנעדרה מהדגם הישן יותר - AN/APQ-113). בנוסף כללה החליפה מכ"ם תקיפה ומערכת ניווט אינרציאלית מתוצרת חברת Autonetics, מכ"ם ניווט דופלר של חברת מרקוני, צגים רב תכליתיים (MFD) מתוצרת חברת נורדן ומעבד מרכזי של חברת יבמ. מערכות התצוגה גרמו לבעיות שהתווספו לתקלות הטכניות של כל יחידה בנפרד והחמירו אותן. מצב זה הוביל לסכסוכים חריפים בין היצרנים השונים, ותהליך תיקון הכשלים נמשך מספר שנים. בעיני צוותי האוויר נחשב דגם ה-D, כשהוא במצב שמיש, לידידותי ביותר למשתמש מבין כל גרסאות המטוס, אולם מצב זה היה נדיר לפני תחילת שנות השמונים.
במקרה, המטוס מהדגם F-111D מעולם לא נשא את מערכת החיישנים היעילה ביותר של הארדוורק, הפוד AN/AVQ-26 של חברת Pave-Tack.
בשנת 1992 חדלו להשתמש במטוס מהדגם F-111D והוא יצא משירות.
F-111E.
הדגם F-111E היה דגם זמני ופשוט יותר, שהוזמן לאחר שהתגלו הבעיות המתמשכות של דגם D. בדגם זה הותקנו כונסי "Triple Plow 2" של דגם D וכן מנועים חזקים יותר מדגם TF30-P-3, אך הדגם צויד במערכות אוויוניקה של דגם A בתוספת מכ"ם עקיבת תוואי קרקע מתקדם ומצלמת הפצצה.
על אף שתוכנן לאחר דגם D, דגם F-111E נשלח למעשה לשירות מבצעי לפניו. הטיסה הראשונה של דגם E נערכה ב-20 באוגוסט שנת 1969. בסך הכול יוצרו 94 מטוסים מדגם זה.
מספר מטוסים מדגם E הופעלו בבסיסי חיל האוויר המלכותי באוקספורדשייר (אנגליה) עד לשנת 1993 ובמבצע "סופה במדבר". כל המטוסים מדגם זה הועברו לאחסנה בין השנים 1993 ו-1994.
F-111F.
דגם F-111F היה הדגם האחרון של המטוס שיוצר עבור חיל האוויר האמריקאי, ונשא מערכות אוויוניקה "סימן 2 B" שהיו בעלות יכולות טובות מאשר אלו של דגם E, וכן אמינות גבוה בהרבה יותר מאשר אלו של דגם D. בסך הכול יוצרו 106 מטוסים מדגם זה בין השנים 1971 עד 1976. המטוס הוקצה מלכתחילה לבסיס חיל האוויר 366 שבאיידהו. בשנת 1978 המטוסים הועברו לטייסת 48 של חיל האוויר המלכותי באנגליה, וחלק מהם הוקצו לבסיס האמריקאי נליס.
מערכת האוויוניקה של המטוס מהדגם F-111F השתמשה בגרסה מפושטת של מכ"ם הדגם FB-111A, ה-AN/APQ-144, ללא מספר מודי תקיפה, אבל בעלת טווח ארוך יותר במעט. המערכת השתמשה במכ"ם תוואי קרקע מדגם AN/APQ-146 של חברת Texas Instruments, מערכת ניווט של חברת ליטון, ומערכת בקרת ירי של דגם F-111E. בתא החימוש הפנימי הותקן פוד פליר AVQ-26 Pave Tack ובמערכת לייזר לצורך ציון מטרות לחימוש מונחה לייזר. לאחר מכן, המכ"ם שודרג לדגם AN/APQ-161, יחד עם מכ"ם עקיבת תוואי קרקע מדגם AN/APQ-171. יותר מאוחר שידרגו את מערכת האוויוניקה עם רכיבים של חברת Pacer Strike שהוסיפו רכיבי אלקטרוניקה ובסיס נתונים חדשים ודיגיטליים.
מטוסים מדגם זה השתמשו בפתחי אוויר "Triple Plow 2", יחד עם מנועי טורבו-מניפה חזקים בהרבה מדגם TF30-100 שיכלו להפיק דחף של 112 קילו ניוטון. כל אלה תרמו לשיפור ביצועיו של הדגם, ואיפשרו לו להגיע למהירות מקסימלית של 2.5 מאך ברום, הקנו לו יכולת לשייט במהירות על קולית (supercruise, טיסה במהירויות על-קוליות ללא שימוש במבער אחורי). בין השנים 1985–1986, המנועים שודרגו למנועי טורבו-מניפה TF-30-P-111.
מטוסים מדגם זה השתתפו לראשונה במבצע "קניון אל דוראדו" כנגד לוב בשנת 1986, ותיפקדו בהתאם למצופה במבצע "סופת מדבר" נגד עיראק, בו תקפו המטוסים מטרות משוריינות.
תוכניות שונות לשדרג את הדגם, כולל התקנת מנוע F110 של חברת ג'נרל אלקטריק (מותקן במטוס F-14D טומקאט), הועלו, אבל לא יצאו אל הפועל כי הן יכלו להפריע למאמצים הפוליטיים של חיל האוויר האמריקאי לייצר את המטוס F-22 "ראפטור". כתוצאה, מטוסי ה-F-111 האחרונים של החיל הוצאו משירות ב-27 ביולי 1996, והוחלפו על ידי מטוסי F-15E "סטרייק איגל".
FB-111A/F-111G.
דגם FB-111A היה דגם המפציץ האסטרטגי, והוא פותח כדי להוות מחליף זמני לB-58 האסלר וכן לדגמים הראשונים של המטוס B-52. תוכנית החלפת המטוסים התנהלה באיטיות, וחיל האוויר האמריקאי היה מודאג שמא כשלי עייפות החומר בצי מטוסי ה-B-52 יגרמו לצי המפציצים האסטרטגיים להחלש במידה ניכרת. במקור תוכנן לייצר 263 מטוסים, בפועל המספר הסופי היה 76 יחידות בלבד. המטוס הוכיח את עצמו כמפציץ יעיל ביותר וזכה בתחרות חיילית של ה-SAC חודשיים בלבד לאחר כניסתו לשירות פעיל. המטוס הראשון מדגם זה יצא מפס הייצור בשנת 1968. הדגם מעולם לא קיבל שם רשמי, אבל לרוב קראו לו Switchblade ("אולר קפיצי").
דגם FB-111A היה ארוך ב-6.5 ס"מ מדגם F-111A, דבר שאיפשר לשאת עוד 2,214 ליטרים של דלק, והוא צויד בכנפיים הארוכות יותר של המטוסים הכושלים F-111B ו-F-111K להגדלת טווח הטיסה ויכולת נשיאת החימוש. כן נסע מחוזק שנועד להתמודד עם המשקל ומהירות ההמראה הגבוהים יותר. לכל המטוסים, מלבד הדגם הראשון שיוצר, היו פתחי יניקת אוויר “Triple Plow 2” ומנוע מדגם TF30-P-7 שיכל לספק דחף יבש של 56 קילו-ניוטון ודחף של 90 קילו-ניוטון עם מבער אחורי.
למטוס מדגם FB-111A היו מערכות אוויוניקה חדישות, ניתן להן הכינוי SAC Mk IIB. חליפת אוויוניקה זו כללה את המכשירים של דגם A, כמו המכ"ם עקיבת תוואי קרקע של חברת טקסס אינסטרומנטס AN/ANPQ-134, ומד גובה מכ"מי של חברת הניוול AN/APN-167. המכ"ם הראשי היה מדגם AN/APQ-114 של חברת ג'נרל אלקטריק, בעל תצוגה הפונה צפונה, מצב "אור עוקב", ומצב צילום תמונות. בנוסף לרכיבים אלה, לדגם FB-111A הוספה מערכת ניווט פנימית של חברת רוקוול מדגם AN/AJN-16, מכ"ם דופלר מדגם AN/APN-185 של חברת סינגר-קיארפוט, ומצפן אסטרונומי של חברת ליטון מדגם AN/ASQ-119, שאיפשר לבצע ניווט בהסתמך על מיקום הכוכבים. תצוגה אופקית הוספה לצד תצוגת הטייס מדגם AN/AYK-6. מאפיין ייחודי נוסף של הדגם FB-111A אחסנת המידע על אזור טיסה מוגבל במערכת בקרת הטיסה האוטומטית, דבר שאיפשר טיסה "ללא-ידיים" (בעזרת טייס אוטומטי) במהירויות גבוהות ובגבהים נמוכים (עד לגובה של 200 רגל), אפילו במזג-אוויר קשה.