Od 17. ledna 1991 se americké F-14 zapojily do plnění různých úkolů v rámci operace Pouštní bouře ("Operation Desert Storm") v Perském zálivu. Na mise do Kuvajtu a Iráku startovaly z pěti letadlových lodí: USS John F. Kennedy, USS Saratoga, USS America, USS Ranger a USS Theodore Roosevelt. V době, kdy operace Pouštní bouře začínala, byly F-14 jedinými americkými stíhačkami v aktivní službě, které měly za sebou skutečné vzdušné souboje s potvrzenými sestřely nepřátelských letadel. Paradoxně však během války v Zálivu vykonávaly převážně hlídkové lety. Vybaveny zařízením TARPS (Tactical Airborne Reconnaissance Pod) byly Tomcaty vysílány také na průzkumné mise, během nichž vyhledávaly irácké mobilní raketové systémy Scud. Jelikož hlavní roli při potlačování iráckého letectva sehrály stíhačky F-15C, připsaly si F-14 pouze jediný sestřel vzdušného cíle. Šlo o vrtulník Mil Mi-8, který byl zničen střelou AIM-9 Sidewinder 6. února 1991 a jednalo se o poslední vzdušné vítězství Tomcatů ve službách amerického námořnictva. Během celé letecké kampaně ztratilo americké námořnictvo jen jeden stroj F-14A, který byl 21. ledna 1991 sestřelen iráckým systémem S-75 Dvina. Oba piloti se stihli katapultovat, ale jen jednoho z nich americké speciální jednotky zachránili. Druhého zajala irácká armáda a byl vězněn až do konce války.