シーズン3第2話「レーザー発射！新開発レッドウルフを撃破せよ」にて、ハーラ・ジェンキンスは、航空学校時に同期だったホークにライバル心を持ち、モフェットの一番弟子となり、博士の死後、特別作戦部と協力してエアーウルフの2号機「レッドウルフ（Redwolf）」を完成させている。外見上の違いは、エアーウルフの白い部分と機首部分が真紅に塗られ、空中給油口、ターボエンジンは搭載されていない。主要装備のミサイルポッドは1門のみだが連射やある程度の方向を変えることが可能、ミサイルはエアーウルフ同様にヘルファイヤー・コパーヘッド・マーヴェリックの3種を搭載、さらに機首部分にレーザー砲が追加されている。レッドウルフとしての登場は一度のみだが、後述する『新エアーウルフ 復讐編』にて、エアーウルフ第3のバージョン「スコーピオン」として映像が流用されている。その他にも、数々の実在または架空の戦闘兵器が登場している。
中央情報局（CIA）の秘密作戦遂行のために、「悪魔的天才」とも揶揄される科学者チャールズ・ヘンリー・モフェットによって10億ドルの費用と20年の歳月をかけ開発された“マッハ1・プラス・アタック・ヘリコプター”「エアーウルフ」。軍関係者や連邦議会議員を招いて行なわれた展示飛行の最中に、招待者の一人に働きを正当に評価されていないと思い込んだ、当のモフェット自身がエアーウルフで招待者たちを攻撃。モフェットはエアーウルフと共にリビア（日本語吹替音声では「北アフリカ某国」）へ逃亡した。開発計画の責任者でエアーウルフの銃弾を浴び、左目失明・左足不随の大ケガをしたCIA特別作戦部長マイケル・コールドスミス・ブリッグス3世（コードネーム「アークエンジェル」。大天使の意）は、敏腕パイロットで今は山荘で暮らすストリングフェロー・ホークにエアーウルフの奪還を要請。ホークは友人のドミニク・サンティーニと共に、北アフリカの「カダフィ大佐 夏の館（DVD-BOXでは英字幕も「カフィール 夏の館」に変更されている）」に潜入、モフェットと対決し、エアーウルフの奪還に成功する。しかし、今度はホークが、人知れぬ土地（ネバダ砂漠の「神の谷」と呼ばれる地域）にエアーウルフを隠匿してしまう。ホークは「エアーウルフを返してほしければ、ベトナム戦争で未帰還兵となった、兄のセント・ジョンの生死を確認し回答せよ」と政府に要求。アークエンジェルは「政府のホークへの逮捕に関する情報をホークに教えること」や「CIAの情報網でジョンを探す」、代わりに「CIAの作戦にエアーウルフを使わせ秘密要員として参加する（経費はもちろん政府持ち）」取引をホークに持ちかけ承諾を取り付ける。これをきっかけにホークはエアーウルフを使い、世界の各地でさまざまな事件を解決していく。※パイロット版にはテレビ放送用のCBSバージョンとビデオ発売用のムービーバージョンの2通りがあり一部BGMと編集が異なる。ムービーバージョンが一話完結なのに対して、CBSバージョンはシリーズ化を前提としたシーン（アークエンジェルがホークに今後も協力を要請する場面等）が追加されている。日本では『金曜ロードショー』にてCBSバージョンを放送、CICビクターから発売されたビデオソフトではムービーバージョンが収録されている。
それまでのウルトラマンは、ほとんどが自ら人間に変身しているか人間と一体化していた。だが、本作ではエックスは変身アイテム・エクスデバイザーに宿っており、主人公・大空大地とのバディ関係が描かれている。Xioの描写も田口のこだわりで「プロの防衛隊らしさ」が追求されている。ストーリー制作も単に怪獣が出現したから出動するのではなく、怪獣を倒すために必要な戦略や目的を明確化することが重視されている。また、隊員たちの日常性も重視され、劇中での描写の有無に関係なく細かい部分まで設定が用意されており、存在に奥行きを出すことも意図されている。撮影開始前には元自衛官を招き、出演者たちに銃器の扱いや敬礼などの講義が行われた。一方で、『ウルトラギャラクシー大怪獣バトル』シリーズ（2007年 - 2011年）以来登場の途絶えていた航空機や、シリーズ初となるトラック型車両の登場なども宣伝されている。その他の設定や世界観についても、田口の意向で説得力のあるハードSFを目指している。スパークドールズやファントン星人グルマンなどの登場は田口の参加前に決定していたが、これらも設定の理由付けや造形のリアリティなどが追求されている。その一方、田口は設定による自縄自縛にならないよう各話監督へ無理強いしないことも掲げていた。近年の作品では怪獣が同時に複数登場することが多く、田口は1匹ごとの印象が薄くなっているのではないかという考えにより、本作では各話のメインとなる怪獣の魅力を引き出すことを目指している。田口や脚本の小林弘利は生物として怪獣を描くことを意識しており、「怪獣との共存」をテーマにしつつも、同じテーマを描いた『ウルトラマンガイア』や『ウルトラマンコスモス』と異なり、怪獣本来の生息地を尊重しつつ人間に危害を加えたら殺処分も行うという現実の自然保護区や猛獣対策に近いものとしている。撮影では、『ウルトラマンギンガS』に続きフィルムに近い映像が撮影できるREDを使用している。また、従来はメイキングに使用されていた小型カメラGoProをメインカメラの1つとして導入しており、特撮セットでの巨大感を演出している。本作は平成ウルトラヒーローが多く客演するのも特徴である。歴代ウルトラヒーローを紹介する『新ウルトラマン列伝』枠で放送するならば、その活躍をちりばめたいという考えによるもので、あえて平成ウルトラヒーローを客演させることで若い世代のファンも楽しめる作品を目指している。客演ヒーローは、前作からのギンガとビクトリー、『列伝』シリーズと縁が深いゼロ、他作品への客演が少ないマックスとネクサスにすることが企画当初から決まっていた。本作品の企画成立前に新ウルトラマンの企画募集があり、このうち小林雄次が提出した『ウルトラマンゴールド』は本作品第6話・第7話に転用された。