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F-4 (戦闘機) 改良
エンジンはF-15やF-16が搭載するプラット・アンド・ホイットニー F100を改良したプラット・アンド・ホイットニー PW1120（アフターバーナー推力 9.5t）へ換装するとした。このエンジンはJ79に比べ25%近く軽量で推力は20%増し、燃料消費率も5%から15%低いとされた。胴体下面に搭載するコンフォーマル・フューエル・タンクは4,164Lの燃料を追加搭載でき、後端部のフェアリングにはAN/ALE-40チャフ・フレアディスペンサーが装備されていた。さらにCFTに4箇所のハードポイントが設けられ、うち2箇所にAIM-7を装着可能となっていた。
この計画には当時200機近いF-4を保有していたイスラエルや約260機保有していた西ドイツが興味を示したとされている。ただし、両国ともこのボーイング社案をそのまま使用してはいない。イスラエルはエンジンこそPW1120を搭載するもののHUDを含むアビオニクス類は国産品を搭載する独自計画「F-4Eクルナス2000」（後述）を立案した。西ドイツは本計画に対抗する形で「ICE（Improved Combat Efficiency：戦闘効率改善）計画」（後述）を立案した。
F-4 (戦闘機) 改良
空軍航空システム部門は1986年2月にボーイングの改修計画の続行を承認したが、これらの機能をF-4ファントムIIに付加するには多大なコストを必要としたことから採用国からの発注はなかった。また、1991年のソ連崩壊と ワルシャワ条約機構消滅により、計画は立ち消えとなった。
アメリカ海軍は初期に生産され老朽化したF-4Bを標的機へ改造する計画を立案しペンシルベニア州ウォーミンスターにあるNADC（海軍航空開発センター）で標的機への改造研究と設計を実施した。同センターは空対空・地対空ミサイルの試験や濃密な対空防御を有する地域への電波妨害による模擬侵入を可能とするRPV（遠隔操作機）の研究を行っていた。
F-4 (戦闘機) 改良
NADCは老朽化したF-4B一機を入手し、操縦系統をすべて無線を経由して操作するように改造した。完成した無人標的機は「QF-4B」と名付けられ、視認性を良くするために真っ赤に塗装されたが機首にアンテナが二本増えている他は外見的な違いはなかった。コックピット内の操縦装置は人間による操作を可能としたままで全操縦系統を無線操作で作動させるためのトグル・スイッチを多数追加している。これは駐機場と滑走路間の往復と滑走路と空中の往復間の操縦という別種の操作を地上のパイロットと空中の誘導母機「DF-4J」（別名フォックス：F-4Bの改造機）から遠隔操作を行うパイロットで分担することで改造内容や遠隔操作手順を単純なものとすることを意図したものである。
QF-4Bの操作は機上コマンドコントロール受信機で受信する406MHz～550MHzの帯域中の20チャンネルの信号を使用する。20チャンネルの信号はブレーキのオン・オフ、降着装置の上下、上昇降下、推力の上昇下降、フラップ・方向舵・エアブレーキの作動、搭載物の投棄、アフターバーナーの点火と停止、拘束フックの上下、ドラッグシュートの作動、記録カメラの作動など、飛行に必要な役割にそれぞれ割り付けられる。
F-4 (戦闘機) 改良
アメリカ海軍は原型機を含めた44機のF-4BをQF-4Bに改造し標的機としてミサイル実験部隊で運用した。以降、老朽化・余剰となったF-4E/N/S/Gも無人標的機に改修されている。
F-4が初飛行した1950年代はアメリカとソビエトの最新鋭機を使用した熾烈な世界記録更新競争の時代でもあった。また、アメリカ空軍と海軍も記録の更新競争を行う形となっていた。
トップ・フライト
1959年7月14日にソビエトはSu-15の原型と言われる当時最新鋭の実験機Tu-431により28,852mの上昇記録を記録した。これに対してアメリカ海軍は「トップ・フライト計画」として原型機の「XF4H-1」による高度記録更新を行った。同年12月6日、エドワーズ空軍基地を離陸したローレンス・E・フリント中佐操縦のXF4H-1は高度30,040mにまで上昇記録を更新させた。
なお、その一週間後の12月14日にはアメリカ空軍のF-104CがJ・B・ジョーダン空軍大尉の操縦により高度31,513m（103,389ft）の高度記録を更新した。これは、初めて10万フィートを突破した記録ともなった。
LANA 計画
アメリカ海軍航空50周年に当たる1961年を記念してアメリカ大陸横断飛行の速度記録に挑戦した。
F-4 (戦闘機) 改良
アメリカ海軍は当時最新の「F4H-1」つまりF-4の原型機を5機（予備機2機）用意した。横断計画はカリフォルニア州ロサンゼルスのオンタリオ・フィールド飛行場からニューヨーク州ロングアイランドのフロイド・ベネット飛行場まで無着陸飛行を行うものとされた。
飛行士として後にジェミニ11号で宇宙飛行を経験し、アポロ12号に乗り込み、司令船パイロットを務めたリチャード・F・ゴードンJr中尉 (当時) を含む計6名のパイロットが抜擢された。1番機には指揮をとるJ・S・ラモール中佐とT・J・ジャクソン大尉の二名、3番機にゴートン中尉とB・R・ヤング中尉が搭乗した。
5月24日、5機のF-4がオンタリオ・フィールド飛行場を時間を隔てて飛び立った。1番機・2番機・3番機にトラブルがないことを確認した予備の2機はすぐに引き返している。3機はそれぞれ単独飛行を行いニューメキシコ州・ミズーリ州・オハイオ州の上空で空中給油を受けニューヨークを目指した。
最初にフロイド・ベネット飛行場の上空を通過したのは1番機で離陸より3時間と5分が経過していた。続いて到着したのは2番機で所要時間は2時間50分だった。最後に到着した3番機は2時間47分を記録し、最短記録を残したゴートン・ヤング両中尉がベンデックス・トロフィーを受賞した。
セージバーナー
F-4 (戦闘機) 改良
1961年8月28日、3マイル（4.82km）の区間内で125ft（40m）以下の高度を維持してマッハ1を超える平均 902.769mph（1,452.826km/h）の速度記録を樹立した。しかし、これに先立つ5月18日の最初の試行でピッチダンパーの故障による空中分解でパイロットのJ.L.フェルトマン海軍中佐が殉職している。
スカイバーナー
1961年12月22日、水噴射装置を追加したF-4により1,606.342mph（2,585.086km/h）の絶対世界記録速度を記録している。その直前の12月5日には同計画の別の機体が 66,443.8ft（20,252.1m）での水平飛行高度を記録している。
ハイジャンプ
1962年、アメリカ海軍はF-4の上昇性能を誇示する目的で「ハイジャンプ計画」に着手する。これは指定された高度までの上昇時間を競うもので「トップ・フライト」と異なり、到達時間を競うものである。基地にはメーン州ブランズウィックとカリフォルニア州ポイント・マグーが選ばれた。
本計画では、後にジェミニ3号、ジェミニ10号、アポロ10号で宇宙飛行を経験後、アポロ16号で月面の「デカルト高地」に着陸し、1981年のスペースシャトルの第1回目と9回目の飛行の船長に選ばれることになるジョン・W・ヤング中佐（当時）、D・M・ロントン少佐、D・W・ノードバーグ少佐、F・T・ブラウン少佐、海兵隊のW・C・マクグロー中佐の5名がそれぞれの高度の記録を更新した。
詳細は以下の通りである。
この時、ヤング中佐はマニュアルを無視してフラップを上げたまま推力100%で離陸し、車輪が滑走路を離れると同時に車輪を引き上げ、そのまま加速し十分な速度に達してから機首を引き揚げるという操縦を行った。教本にはない手順だったが、後の上昇記録更新でも踏襲されるようになった。これによりヤング中佐は腕のいいテストパイロットとして知られるようにもなり、同年9月に第二次宇宙飛行士選抜に名を挙げられている。
なお、本計画の記録は1973年にソ連（当時）のMiG-25の特殊改造機「E266」が20,000mから30,000mまでの記録を更新することになるが、アメリカ空軍のストリーク・イーグル計画によってF-15が破るまで、その記録を更新されることはなかった。
F-4 (戦闘機) マクドネルの躍進とマクドネル・ダグラスへの発展
マクドネルは1964年会計年度の総売り上げ8億6,500万ドルの7割を国防総省関係からの受注で占めていた。前年度比で3億ドル増を記録しており、アメリカの経済雑誌「フォーチュン」は1964年11月号で当時のマクドネルの活況振りを6ページに渡り紹介した。
軍用機生産に限れば売り上げの2億4,500万ドルの大部分がF-4によるものだった。翌年の1965年にはF-4の年間生産数は500機を突破することが既に決まっていた。マクドネルの敷地面積は50万m2を超え従業員数は3万5千人となった。また、10社を超すアメリカ国内の有力航空宇宙メーカーをおさえてマーキュリー計画の宇宙カプセル開発と生産をNASAから受注している。1939年に15人の従業員とビル2階の間借りでの創設当初から見ると空前の成長だったことが分かる。
だが、創設者であるジェームス・スミス・マクドネルJrはF3H デーモンとF4H ファントムIIの空白期の経験などから浮き沈みの激しい国防総省からの受注に頼っていては心細いと考え、軍事専門の航空機メーカーからの脱却と規模拡大を図り、ベトナム戦争により軍事物資生産に優先された資材の入手難と旅客機受注の伸び悩みにより経営難にあったダグラスを1968年に吸収合併した。以降マクドネル・ダグラスとなり、ダグラスの旅客機の製造と共にA-4 スカイホークの生産を引き継ぐこととなった。
F-4 (戦闘機) マクドネルの躍進とマクドネル・ダグラスへの発展
その後、マクドネル・ダグラスは軍用機部門ではF-15 イーグルやF/A-18 ホーネット、C-17 グローブマスターⅢ、民間部門ではダグラスから引き継いだDC-10やDC-9に加えてDC-9の発展形であるMD-80シリーズを送り出して成功を収め、軍民両部門の航空機メーカーとして成長を続けた。1985年にはヒューズ・ヘリコプターをも傘下に入れるに至ったが、冷戦終結による軍需減少や民間機市場におけるMD-11やMD-90の苦戦、中国企業との提携による航空機製造工場の失敗によって苦境に陥り、最終的に1997年、マクドネル・ダグラスはボーイングに吸収合併されて消滅した。
F-4 (戦闘機) 部隊配備
1959年に始まり1960年2月15日に空母「インディペンデンス」における初の離着艦全通試験など一連の航空母艦適合テストで十分な結果を得たアメリカ海軍は1961年に正式にF-4Bの艦隊配備を開始した。
アメリカ大西洋艦隊初のF-4飛行隊となったのは空母「フォレスタル」搭載となる第74戦闘飛行隊だった。太平洋艦隊は1962年に空母「キティホーク」搭載の第114戦闘飛行隊がF-4Bの引き渡しを受けている。
配備開始2年後の1963年時点でF-4保有飛行隊は6個となっていた。この時点でも旧世代のF3H デーモンやF4D スカイレイを運用中でありF8UもF-4と並ぶ主力戦闘機だった。それに対してアメリカ海軍は1965年の時点でF-4を搭載可能なミッドウェイ級以上の空母11隻の全飛行隊へのF-4を配備しようと計画した。1隻当たり二個飛行隊分を配備しようとすると単純計算で244機を必要とし、同時期にアメリカ軍が北ベトナムへの爆撃を開始したこともあり、F-4飛行隊の増強が続いた。
F-4 (戦闘機) 部隊配備
アメリカ海兵隊は海軍への配備開始から一年後の1962年から配備を始めた。F-4Bを初めて受領したのは第531戦闘攻撃飛行隊で、翌1963年には第314戦闘攻撃飛行隊が受領し、同年10月に日本の厚木基地に派遣されている。日本への配備は東南アジアから最短距離にあるためベトナム情勢を鑑みてのことだった。戦争中期頃からは施設の整備の進んだフィリピンの基地を使用するようになった。
当初、F-4は艦上機として開発されたが、空海両軍での戦闘機の共用化によるコスト削減を目論むロバート・マクナマラ国防長官の方針もあって、空軍規格に改められた機体をF-110A「スペクター（Spector）」として採用した。1962年に3軍統一の機体命名法が施行されるとF-4Cに改めている。
空軍への採用の際の変更点は
F-4が当時のアメリカ空軍戦闘機に勝っていたのは、J-79エンジン双発の大パワーと、それに伴う機体規模の余裕であった。ただし全面的に優れていた訳ではなく、低空での速度性能や安定性では高翼面荷重の機体であるF-105に、レーダーや電子装備では全天候要撃機のF-106には劣っていた。しかしながら総合性能においては空軍機を凌駕する事を空軍側でも認めざるを得ず、採用に至った。ベトナム戦争が本格化する直前の1964年、F-4Cを受領した第555戦術戦闘飛行隊が那覇空軍基地の第51戦闘迎撃航空団に配備された。
F-4 (戦闘機) 部隊配備
後の視点から見ればF-4の最大の長所は、低空侵攻任務では欠点となった低翼面荷重であった。ミサイルキャリアーとして開発された機体であり、空戦性能向上を意図したものでなく、艦上戦闘機としての離着陸（艦）能力を確保するためのものであったが、副産物としてまずまずの格闘空戦性能を発揮した。当時の空軍機は要撃機および戦闘爆撃機が主体で、当時のミサイル万能論の影響もあり、空戦性能を軽視していた。結果としてF-4はベトナム戦争において、その空戦性能で活躍する事になる。
また、アメリカ空軍は当初海軍に提案されていたF-4の偵察型をF-4Cの機首を改造した戦術偵察機RF-4Cとして導入した。アメリカ海兵隊でもF-4B/Jを戦術偵察機に改造したRF-4Bを導入した。これに対してアメリカ海軍はRF-4を採用せず、RF-8やRA-5、その後継として偵察ポッドを装備したF-14を用いて偵察を行なった。
1969年にF-4Jを導入し全米やヨーロッパでアクロバット飛行を披露した。アジアでは日本や韓国にも飛来している。日本に飛来した際にはその騒音から住民から苦情が寄せられた。そのため「もう日本には来ない」とブルーエンジェルスのメンバーは激怒したという。これが原因なのかは不明だが以降ブルーエンジェルスは来日していない。1974年に、A-4F スカイホークに機種転換した。
F-4 (戦闘機) 部隊配備
ブルーエンジェルスと同じく1969年にF-4Eを導入した。こちらも1974年にT-38A タロンに機種転換した。
F-4は同じく出撃したF-8クルセイダーとは異なる最大8発搭載の空対空ミサイルのうち4発のAIM-7ミサイルと当時としては際立って有力なアビオニクスによりレーダー捕捉段階で視界外から敵機を撃ち落すことを可能としたミサイルキャリアーだった。
しかし、F-4初の実戦となったベトナム戦争ではレーダーでは敵味方判別をできないことから生じた同士討ちの結果として、視認前のミサイル発射を禁止されたり、ミサイル装着時の部品の破損などの人的ミス等によるミサイルの信頼性の低下、当時の技術的限界によるミサイルの性能不足 等により、F-4の特質を十分に生かすことができず、また、開発時に想定していない空対空格闘戦という状況に対して訓練不足 と兵装の制限（機関砲を内蔵しない）、さらには爆撃機護衛・制空権確保という任務上、戦闘空域に留まる事が求められたため、苦戦を強いられることになった。
F-4 (戦闘機) 部隊配備
北ベトナム空軍の運用するMiG-17やMiG-19、MiG-21等は旧型ながら優れた機動性と制約の少ない機関銃を持ち、地上管制の元で限定された戦術目標を達成すれば充分という有利さ、さらには迎撃任務が主でミサイルを撃った後は戦闘空域から離脱する事もできた事から、F-4をはじめとするアメリカ軍の戦闘機部隊を苦しめたのである。
とはいえ、当時のアメリカ戦闘機としては運動性は優れており、MiG戦闘機には運動性に遅れを取ったとしても、他に代えるべき機体は存在しなかった。空軍においては、機関砲を固定装備とし、運動性を向上させたE型を就役させ、格闘戦への対処とした。また、結果的には空戦での撃墜成績については、MiG戦闘機に勝っていた。しかしながら乗員が2名なので、戦死者の数は敵より多かったともされている。
また、MiG戦闘機との空中戦で、F-4の空力的な弱点として、急旋回などで高迎角での機動中に補助翼を操作すると、パイロットが意図した方向とは逆方向に「ヨーモーメント」と呼ばれる力が発生し、機首が操縦と逆の方向を向いてしまい、操縦が難しくなることが判明した。この現象は補助翼のアドバースヨーとしてよく知られた現象であるが、これが原因で瞬時にスピンに入ってしまう傾向が指摘されていた。
F-4 (戦闘機) 部隊配備
この対策として、主翼の前縁と後縁にスラットやフラップの高揚力装置など、様々な仕様で飛行実験が行われた結果、スラットが最も効果的であることが判明した。空軍では1972年から全てのF-4Eにスラットを装備することになり、海軍でも既存機の近代化改修時にスラットを取り付けF-4Sとする工事が行われた。スラットを取り付けたF-4は高迎角時の飛行安定性とともに、離着陸性能も向上した。
アメリカ海軍
アメリカ海軍のF-4が初めて実戦参加を果たしたのは、1965年3月の「ローリング・サンダー作戦」だった。それ以前にもF-4飛行隊が乗艦する空母が北ベトナム沿岸に展開していたが、北ベトナムの航空戦力はほぼゼロに等しいので最新鋭のF-4の実戦投入は不要として見送られていた。
3月29日には第151戦闘飛行隊のF-4B、2機が北ベトナム上空で撃墜され初損失となっている。4月29日には中華人民共和国の領空を侵犯した第96戦闘飛行隊のF-4Bが中国人民解放軍空軍の戦闘機に撃墜されている。
F-4 (戦闘機) 部隊配備
同年6月17日、空母「ミッドウェイ」の第21戦闘飛行隊のF-4B二機がハノイの南方80kmで遭遇したMiG-17の4機中2機をすれ違いざまにAIM-7で撃墜し、はじめてF-4の火器管制能力を発揮するに至った。これは全アメリカ軍を通じてベトナム戦争初の撃墜記録となった。以降、アメリカ海軍のF-4BとF-4Jは北ベトナム軍戦闘機を36機撃墜しているものの、ほとんどがサイドワインダーによるものだった。
アメリカ海兵隊
南ベトナムに駐留するアメリカ海兵隊のF-4B（1966年1月）
ベトナム戦争開始後、在日アメリカ海兵隊にも前線への出撃命令が下され、F-4飛行隊も南ベトナムのダナン基地やチュライ基地に進出した。後に激戦期と呼ばれることになる1968年末における任務は南ベトナム国内で活動する共産軍の制圧のための通常爆弾やナパーム弾、ロケット弾、ガンポッドによる対地攻撃であり、空中戦とは無縁の日々が続いたという。それでも、展開するF-4飛行隊は5個に増強されていた。当時2機のF-4を失ったものの乗員は全員救助されている。
1972年以降、攻撃目標が南ベトナムから北ベトナム、特にラオスを経由し南ベトナムに伸びる大補給ルート「ホーチミン・ルート」に移ると損害は増加した。北ベトナム軍正規軍の装備する対空砲や対空ミサイルにより、3機のF-4の損失と2名のパイロットの行方不明という損失を蒙っている。
F-4 (戦闘機) 部隊配備
アメリカ空軍
アメリカ空軍はF-105やF-111などの戦闘爆撃機を次々と投入した。だが爆弾を満載し機動性の低下したF-105などにとっては、北ベトナムの主力戦闘機MiG-17は旧式機と言えども侮り難い敵だった。格闘戦に巻き込まれ爆装を投棄した時点で、「爆撃の阻止」という相手の戦術目標は達成しており、熱帯雨林という精密機械には適さない環境によりミサイルを武器とする戦闘機はその能力を著しく落としていた。
1965年4月3日、2機のF-105がMiG-17に撃墜されたことを受け、空軍はミグ戦闘機の掃討任務の為にF-4C飛行隊7個を南ベトナムに、3個飛行隊をタイ王国にあるアメリカ軍の基地に駐留させた。
しかしながら、1965年から1966年までのわずか一年の間に撃墜や事故など様々な原因で54機のF-4Cを損失している。初期トラブルの顕現と対応が不十分なままで実戦投入されたため戦場で燃料漏れや主翼への亀裂が生じたこと、ミサイルの使用に様々な制限や問題があったこと、機関砲を装備していなかったことが挙げられる。
1967年3月10日にはジョン・パルド大尉とスティーブ・ウェイン中尉のF-4が、対空砲火で損傷した僚機を安全なラオス領空まで押して移動させた「パルド・プッシュ」(Pardo's Push)と呼ばれる事例が発生している。
D型・E型の登場
F-4 (戦闘機) 部隊配備
展示されるM61A1「バルカン」画像は航空自衛隊のF-4EJのためにライセンス生産された「JM61A1」
1966年2月からマクドネルの生産ラインはF-4CからF-4Dに移行した。また、1968年11月からはF-4として初めて固定武装として機首にM61A1機関砲を搭載し、主翼前縁へのスラットの付加によって運動性を高め、より格闘戦に優れたF-4Eの部隊配備を開始している。
損害
F-4Eが格闘戦に何とか対応できる機体として配備されたといっても状況は厳しかった。1971年末までに361機のF-4C/D/Eが対空砲や地対空ミサイル、ミグ戦闘機により撃墜されており、停戦が発効する1973年までも損害は拡大している。
1991年に勃発した湾岸戦争にもF-4が投入された。この時は制空任務等を後継機であるF-15などに譲り、作戦運用上最後の派生型となったF-4Gがワイルド・ウィーゼルの任に就いた。
アメリカ海軍では1973年よりF-14の配備に伴い徐々に数を減らし、1986年に空母「ミッドウェイ」搭載のF-4とA-7がF/A-18へ機種転換したことで全機が空母上から退役した。予備役飛行隊に配備された機体も翌年には姿を消している。
アメリカ海兵隊ではF/A-18への更新により1992年に全機退役した。
アメリカ空軍ではF-15やF-16の配備が進むにつれて戦闘機としては一線から徐々に退いていたが、SEAD専用機材であるF-4Gは湾岸戦争に投入された。しかし、老朽化と陳腐化は否めず、無人標的機（QF-4Bなど）に改造されたものを除き、1991年の湾岸戦争を最後として実戦配備からすべて引退している。一部空軍州兵での使用は続いていたが、1996年のアイダホ州軍F-4Gを最後に米空軍予備役からの引退も完了した。エドワーズ空軍基地にあるアメリカ空軍テストパイロット学校のテストパイロットの養成課程ではF-4が使用されていたため、状態の良い機体や補修部品はここに集められた。
無人標的機型QF-4は、2016年8月17日に最後の任務(F-35の支援)を終えた。最後の機体はF-35よりミサイルを発射されたが兵器テストの詳細な条件やシナリオは不明ながら、同機は無傷で帰還している。最後の飛行は2016年12月21日に行われ、QF-4は退役した。後継はQF-16である。
F-4 (戦闘機) 現在の運用状況
初飛行から60年以上を経た2025年時点においても、ギリシャ空軍、イラン空軍、トルコ空軍の3か国で配備・運用中である。
アメリカ空軍テストパイロット学校では、教育用として武装を撤去し計測用センサーを搭載した練習機型を数機運用している。
改良・近代化改修の計画が各国で進められており、そのまま2020年以降も使用し続けられる見込みである。この他、アメリカ国内にて非営利団体が1機のF-4Dを飛行可能状態で保存しており、アメリカ空軍デビスモンサン空軍基地においてモスボール状態で保存されているものも存在する。
※各国の詳細については、下記の海外の採用国と派生型一覧を参照のこと。
F-4 (戦闘機) アメリカ軍の採用と形式一覧
XF4H-1
原型機。2機製造された。
YF4H-1
試作機。5機製造。
F4H-1F
命名規則変更によりF-4Aに名称を改めた。45機製造された。
前述の通り、R&D作業のために製造された最初の21機の内、16機目（18号機）以前と17機目（19号機）以降とでレドームと風防（キャノピー）の形状が異なる。これ以降の形式は17機目（19号機）のものを基としている。
F4H-1
命名規則変更によりF-4Bに名称変更。F-4初の量産型で合計684機が製造された。
F-4G
生産中のF-4Bに自動迎撃データリンクと自動着艦用の機材を搭載した機体。
12機が改修されて実戦投入され、同時期に行われた新型迷彩塗装の実験が原因（新型迷彩塗装を施した機体の被害増大）と言われる被弾により1機を失っている。改修機は短期間でF-4Bに仕様変更されたが同機で開発されたシステムはF-4Jに反映されている。また、G形式名は短期間で消滅したので空軍がF-4Eを改修したSEAD（防空網制圧）機で再利用した。
F-4J
空母艦上で駐機中のF-4J
F-4Bの改良型として522機製造された。
F-4 (戦闘機) アメリカ軍の採用と形式一覧
レーダーにパルスドップラー処理を導入したAN/AWG-10を搭載し、戦闘機として初めてルックダウン能力を獲得した。また、F-4C用のメインギア回りと主翼、海軍型F-4Gで開発した機材に加えてエンジンを従来のJ79-GE-8から出力を強化したJ79-GE-10に変更した。
空軍が採用したAN/AJB-7全高度核爆撃制御システムを装備しており、目視目標捕捉システム（VTAS)、サイドワインダー拡張捕捉モード（SEAM）、AN/ASW-25A一方向データリンクを装備している。またスタビレーター（水平尾翼）には、前縁に固定スロットが取付けられており、低速時の操縦性が改善されている。
アメリカ海軍のベトナム戦争中唯一のエース、カニンガム/ドリスコル組が使用したが、5機目を撃墜後の帰還中に北ベトナム軍の地対空ミサイルを被弾、海上で脱出したため実機は現存していない。
F-4N
F-4Bの搭載電子機器をF-4J相当にアップグレードした機体。
改修内容はF-4Jと同じだが、機首下面にAN/AAA-4赤外線センサーを取付け、AN/ALQ-126欺瞞ECMを装備しており、機体寿命（飛行時間）を3500時間から5000時間に延長している。F-4B自体が実戦で酷使されていたため生産機数に対して改修実施機は少なく、改修機数は227機と言われている。
F-4S
編隊飛行を行うF-4S
F-4 (戦闘機) アメリカ軍の採用と形式一覧
F-4Jの近代化と寿命延長型。
レーダーをAN/AWG-10Bに変更、AN/ALQ-126欺瞞ECM、AN/ALR-46またはAN/APR-32レーダー警戒装置を装備しており、レーダー警戒装置のアンテナを取付けている。
空戦時の運動能力向上を意図してF-4E同様に前縁フラップをスラットに変更したが、離着陸時の安定性が従来の機体より悪化している。スラットの形状はF-4Eに比べ若干分厚く先端部が角張っている他、主翼折りたたみ部のフェンスの背が若干高くなっている。
後継機たるF/A-18の就役までの中継ぎの機体として、248機が改修された。
F-4C
F-4Bを空軍の要求に合わせて改修した型で、583機製造。採用当初はF-110A スペクター（Spectre）と呼ばれていたが、命名規則変更に伴いF-4Cに改称され、愛称も海軍型と同じ「ファントムII」に変更された。
F-4 (戦闘機) アメリカ軍の採用と形式一覧
変更点としてはAIM-4 ファルコン、AGM-12 ブルパップ、核爆弾の運用、ブーム式空中給油装置、200psiの低圧タイヤの搭載が挙げられる。特に海軍型との大きな違いとしては複操縦装置の搭載があり後席にもパイロット資格を持つ要員が乗り込む。以降の空軍型も同様である。複操縦式にすることで、機体の生存性が高まるだけでなく、新たに練習機を作る必要がない等、運用上のメリットももたらした。また、主翼の折り畳み機構はコストを下げるために手動に変更されている。アレスティングフックは残されていて、滑走路の着陸距離を短縮する目的を与えた。もちろん外形やシステムも海軍型と大差ないため、空母からの発着艦や適合も同じである。
EF-4C
F-105Gの後継機としてF-4Cを改修したSEAD（敵防空網制圧）機（ワイルド・ウィーゼル）だが、AGM-78 スタンダードARMの運用能力が無いなど、SEAD機として限定的な能力しか持たず兵器搭載能力や運用面でも制約があった。36機がF-4Cを改修する形で製造された。
F-4D
F-4D
F-4Cの改良型で825機が製造された。
F-4 (戦闘機) アメリカ軍の採用と形式一覧
空軍の要求を元に設計された本格的なタイプであり、C型の機首下面に取付けられていたAAA-4赤外線探知器をレーダー警戒受信器に変更。サイドワインダーの搭載機能を削除しファルコンのみ搭載としたがファルコンの成績不良からサイドワインダー搭載機能を追加している。レーダーを測距機能付きのAN/APQ-109Aに換装して低空目標の探知能力を向上している。また、東南アジアでの運用の為LORANという長距離航法システムを追加した機体もあった。AN/ASQ-91爆撃計算機をAN/AJB-7全高度核爆撃制御システムに組み合わせることで誘導爆弾の誘導機能を追加した。ASQ-91自体も対地攻撃を簡略して、かつ精度を著しく向上させている。
このD型ではSEA迷彩(東南アジア迷彩)、俗に言うベトナム迷彩が生産段階からの標準塗装になった。
EF-4D
F-4Dを改修したSEAD（防空網制圧）機のテストベッド機で、4機がF-4Dより改修された。EF-4Dとしては採用されなかったもののこの機体で開発された機材がF-4Gの信頼性向上に繋がった。
F-4E
F-4E
F-4Dの改良型。1,387機製造。対地攻撃能力強化のためのC型からD型への改良に比べて、変更内容はかなり多い。
F-4 (戦闘機) アメリカ軍の採用と形式一覧
エンジンはドライ時推力52.53kN、アフターバーナー時推力79.62kNのJ79-GE-17に換装、偵察型に倣い延長した機首（この機首延長型を「ロングノーズ」と呼称。偵察型とE～G型（EJ型、EJ改型含む）が相当。それに対し、機首の短い型は「ショートノーズ」と呼称）にM61A1 20mmバルカン砲を固定装備し、このため、FCSを従来より小型で振動に強いAN/APQ-120レーダーに換装しているが、APQ-120開発の遅れから初期の30機はレーダー無しで配備され、後に追加搭載されている。主翼には、E前期型、EJ型、EJ改型の、前縁フラップ付きのハードウイング（J/C/D型と同じ）と、E後期型、G型、F型の、可動式前縁スラット付きウイングがある。
ショートノーズではまだましであったが、E型以降のロングノーズでは、背の低い風防と相まって、着陸時の高仰角（高AOA）姿勢の際に、前方視界が全く無く（滑走路が全く見えない）、かなり危険であった。
F-4 (戦闘機) アメリカ軍の採用と形式一覧
F-4は改良を重ねるごとに総重量が増えていき、それに対応するために、高揚力装置の装備と離陸時に高仰角（高AOA）をとる必要があるが、高仰角をとると翼面から気流が剥離し失速するという問題が発生する。離陸時の「スタビレーター（水平尾翼）下面の失速（スタビレーターは離陸時にダウンフォースを発生させることで機尾を下げ、機首上げを行う）と機首下げモーメント」の問題（急激な上昇あるいは機首上げ操作をすると、スタビレーターが急角度で下を向き、スタビレーター下面の気流が剥離してしまうため、効きが悪くなってしまう）を解決するために、E前期型からスタビレーター（水平尾翼）を固定式前縁スラット（スロット）付きに変更（スラットは前方への張り出しのことで、スロットはスラットによって作られた隙間のこと）、E後期型から主翼の前縁フラップを廃止し、可動式前縁スラットに変更。これらの改良は、海軍型のJ/S型やイギリス海軍のK型にも取り入れられた。
E後期型から、バルカン砲のフェアリングの前端を、細長いフラッシュハイダーに改良
E後期型から、胴体下の600Gal 増加燃料タンクをハイ-Gタンクに変更
F-4 (戦闘機) アメリカ軍の採用と形式一覧
AN/APS-107レーダー警戒装置を装備しており、そのアンテナが垂直尾翼上端に取付けられていたが、E後期型ではAN/ALR-46となり、アンテナ取付け位置は主翼端に変更されている。また一部のE後期型では、左主翼内翼部前縁に電子光学式目標識別センサー（TISEO）が取付けられている。
ロングノーズでは内翼下面内側のパイロンにはTER（トリプルエジェクターラック）を、外側のパイロンにはMER（マルチエジェクータラック）を使用可能。MER使用時には、搭載武装が主脚等に干渉しないよう、外側に角度の付いた傾斜パイロンを使用する。
F-4G
ワイルド・ウィーゼルに使用されていたF-105の後継機であるF-4G
F-105Gの本格的な後継機としてF-4Eをアメリカ空軍の要求に合わせ改修したSEAD（敵防空網制圧）機（ワイルド・ウィーゼル）で対レーダーミサイルを主武装とする。134機がF-4Eより改修された。
F-4 (戦闘機) アメリカ軍の採用と形式一覧
機首下面と垂直安定板上部に、敵レーダー波を警戒・補足・分析するための、AN/APR-38統合型制御/指示セット（CIS）のセンサー類を装備するため、機首のM61A1 20mmバルカン砲は撤去されている。CISは7つのモジュールで構成されており、敵のSAM(地対空ミサイル）サイトの追跡/誘導レーダーまたはレーダーサイトから発射されるレーダー波（電波）を、周波数0.01-25GHzの間で脅威電波輻射として探知し、後席に設置されたCISのシステムの専用装置を操作する電子戦士官が、内蔵された脅威ライブラリーと比較して探知したレーダー波を識別すると、その位置を測定して、200nm（370km）の範囲でコックピットのPPIスコープ(平面位置表示機)に位置を表示するものであり、搭載された対レーダーミサイルのAGM-45･AGM-78･AGM-88を、探知した位置にある追跡/誘導レーダーまたはレーダーサイトに向けて発射することができる。
また、電子対抗手段（ECM）として、電子妨害装置（ECMポッド）が、初期にはAN/ALQ-119、後期には新型のAN/ALQ-184が、また、USAFE（在欧アメリカ空軍）のみ、AN/ALQ-131ポットが、主に使用され、スパローミサイルが取付けられる機体前方の兵装ステーションに搭載される。
F-4 (戦闘機) アメリカ軍の採用と形式一覧
胴体下の兵装ステーションには、AIM-7 スパローを最大4発搭載できるが、通常は後部のSta.3/7に2発を搭載し、機首下左側のSta.4にECMポッドを搭載する。主翼下パイロンには、対レーダーミサイルを2発（最大4発）とAIM-9 サイドワインダーを4発搭載できる。
RF-4B
F-4Bの機首を延長し、拡張した空間に偵察装備を施した機体。開発当初からF-4の原型機をベースとした偵察型が海軍に提案されていたものの、RF-8を保有し、後継機としてA-5を改修した偵察型（RA-5C）の採用を決定していた海軍からは関心を得られなかったが、海兵隊が保有するRF-8の更新機として採用した。生産末期にF-4B規格の機体からF-4J規格の機体に変更されている。
上記の経緯から、生産機数は46機にとどまる。
1977年に横浜市緑区の住宅地に墜落する事故を起こしている。
RF-4C
イギリスに向かうアメリカ空軍のRF-4C
RF-4Bと同時期に空軍へ提案されていた偵察型で、RF-101の後継として採用され、505機が生産された。F-4自体の採用は海軍や海兵隊が先行していたがF-4の偵察型は空軍の方が先に発注していたため、「RF-4BはRF-4Cを海兵隊向けに改修した」と言う説が一般化している。
F-4 (戦闘機) アメリカ軍の採用と形式一覧
飛行中に敵のレーダー波や通信を傍受して、受信した情報をデータ通信により送信が可能な、ALQ-125戦術電子偵察装置を搭載しており、マッピングと地形回避用のAN/APQ-99レーダーが搭載されたため、機首のレーダードームが小型化されている。機首下部には前方レーダー警戒器と前方･後方･垂直方向の撮影ができる偵察用のKS-87カメラ機材を搭載しており、そのため、機首下部に前方と後方、機首両側面にカメラ窓が取付けられている。その後方には、APQ-102R/TSLAR（側方機上監視レーダー）の装置とアンテナ、ASS-18A赤外線偵察装置が搭載されており、それらの電子画像と赤外線写真をフィルムに記録することができる。その他にも、前席のコックピットとその前方には、LA-313A光学ファインダーとそのペリスコープが装備されている。
RF-4Bが兵器運用能力を持たなかったのに対して配備当初から核兵器の運用能力を持っており、さらにベトナム戦争後に自衛用のAIM-9搭載能力を追加された。
アメリカ空軍で採用された以外にも、スペインと韓国がアメリカ空軍の中古機を導入した。
1968年に九州大学箱崎キャンパスに墜落する事故を起こしている。
RF-4E
F-4Eの機体に、RF-4Cの偵察装備を取り付けた偵察型。152機が製造された。
F-4 (戦闘機) アメリカ軍の採用と形式一覧
アメリカ空軍では採用されず、生産機は全て外国（西ドイツ、イラン、イスラエル、日本、ギリシャ、トルコ）へ輸出された。
ベースとなった戦闘機型のF-4Eと異なり、偵察型であるRF-4Eの水平尾翼（スタビレーター）には、固定式前縁スラットが無い。日本の航空自衛隊のRF-4Eも同様である。F-4EJを改造したRF-4EJの水平尾翼には固定式前縁スラットがある。
水平尾翼の固定式前縁スラットには、運動性を高めるメリットがあるが、デメリットもあり、飛行中は常に抵抗となり、加速性や最高速度が犠牲となる。偵察型であるRF-4Eの水平尾翼に固定式前縁スラットが無いのは、任務を終えた後、迅速に戦地を離れて、逃げ帰ってくる、あるいは、尾行から逃げ切るために、運動性よりも加速性や最高速度を重視したためである。
スラット有り/無しでの旋回性能、加速性能の違いは、操縦士が体感できるほど明瞭なものであり、戦闘機部隊から偵察部隊へ転属してきたF-4乗りは、スラットを持たないRF-4Eの加速性の良さに驚き、旋回性能の悪さに苦戦した。
QF-4B
老朽化し余剰となったF-4Bを改造した標的機。44機のF-4Bが改造を受けた。
QF-4E
老朽化し余剰となったF-4Eを改造した標的機。
QF-4G
老朽化し余剰となったF-4Gを改造した標的機。
QF-4N
老朽化し余剰となったF-4Nを改造した標的機。
QF-4S
老朽化し余剰となったF-4Sを改造した標的機。
NF-4E
エドワーズ空軍基地にあるアメリカ空軍テストパイロット学校のテストパイロット養成課程で使用する機体。武装を撤去し計測用センサーを搭載している。NF-104の老朽化を受けて導入された。
空軍から退役した機体を使用しているため年によって機体が異なり、以前はC型やD型なども使用していた。老朽化により退役し各地の博物館で展示されている。
F-4H
原形機のF4Hとの混同を避ける目的で欠番となったため、存在しない。
F-4VG
主翼を可変翼に改修したF-4。計画のみ。
F-4T
1970年代後半に立案・計画された制空戦闘機型F-4E。デジタル化した火器管制装置を持ち、すべての対地攻撃能力を省略してM61A1 20mmバルカン砲と胴体下にAIM-7を主翼下にAIM-9を各4発搭載する純粋な戦闘機任務（制空戦闘および要撃）に特化させた機体だった。しかし、F-4の性能を上回るF-15やF-16などの新型機の登場で採用する国もなく中止となった。
F-4X/RF-4X
イスラエル空軍の要望に応えるべくシリアで運用されているMiG-25に対抗するための発展型。イスラエルはRB-47Fに搭載されていたHIAC-1 LOROPカメラのF-4への搭載を、アラブ諸国偵察のために要求していたが、都度却下されていた。しかし1971年にアメリカは態度を変え、F-4の胴体下パイロンに搭載可能な同カメラ収納ポッド（G-139）の開発を許可した。このポッドは22ft以上の長さと4,000lb以上の重量を持つためアメリカ空軍とイスラエル政府出資によりピースジャック計画としてF-4の性能向上を図ることとなった。水メタノール噴射装置により150%に推力されることを想定して機体各部を修正し、最大速度M3.2、巡航速度M2.7を発揮するものとされ非公式にF-4Xとして知られるようになった。
しかし当時アメリカ自身が保有していないマッハ3級戦闘機をイスラエルが保有する可能性から、関連技術のイスラエルへの禁輸を決定した。これに対して、ポッドの空気抵抗も考えてカメラを機首搭載として無武装化した（戦闘機としては使用できない）RF-4Xとすることで一旦は計画が再開したものの、F-4の高性能化が可能であるという事実がF-15に与える影響と水噴射の安全性と信頼性を憂慮したアメリカ空軍が計画から離脱。結果、イスラエルだけで計画を継続できずに自然消滅することとなった。
F-4 (戦闘機) 海外の採用国と派生型一覧
F-4は多数輸出されており、その運用国も多岐にわたるが、外国への供与・売却の大半を占めたのは、ベトナム戦争後期から戦争終結後に生産されたF-4Eであった。F-4Eには戦訓を取り入れた改良も施されていたが、平和の到来やF-15 イーグル/F-16 ファイティングファルコンへの更新によって余剰ぎみになっていたという事情もある。
同じアメリカ空軍仕様のF-4C/Dの供与・売却が少なかったのはベトナム戦争で多くの機体が損傷し、また機体も疲労が蓄積しているため長期の運用に不向きとされたことによる。
F-4を運用したのは開発国のアメリカのほかに政治的に親密だった日本やイスラエル、和平に合意しイスラエルとの友好関係を築いたエジプト、革命まではアメリカの重要な同盟国でオイルマネーを持つ重要顧客でもあったイラン、北大西洋条約機構（NATO）加盟国であり対ソ戦において地政学的に重要な位置にあるトルコとギリシャ、アメリカへの基地提供の見返りを望んでいたスペイン、英語圏の同盟国であるイギリスとオーストラリア、東西対立の最前線ドイツ（旧西ドイツ）、極東地域の大韓民国など11ヵ国に上り、冷戦下で同盟国の防空能力向上を図ったアメリカの戦略が見て取れる。
運用国によって異なる使用・運用目的に合わせた派生型や近代化計画が多数存在する。
概要
F-4 (戦闘機) 海外の採用国と派生型一覧
1966年（昭和41年）に第2次F-XによりF-86Fの後継機種として、F-4Eを日本での運用に不必要な装備を取り除き、データ・リンクを載せて要撃戦闘機タイプにしたF-4EJを選定した。導入時の際の2機はマクドネル社セントルイス工場製の輸入、続く12機分は部品で輸入し三菱重工業でのノックダウン生産、それ以降を同社によるライセンス生産と決定した。加えて、1974年（昭和49年）よりRF-4Eを14機輸入しており、1981年（昭和56年）の生産終了までに日本が調達したF-4の総数は154機となる。また、F-4のライセンス生産が許可されたのは日本が唯一となる。
F-15Jが導入されるまで主力戦闘機として防空任務を担当した。出自が艦上機であるために陸上機としては大きな構造重量（着艦の衝撃に耐えるため、足周りが頑丈であった）への批判や、採用後も1976年（昭和51年）のベレンコ中尉亡命事件で低空目標の探知能力（ルックダウン能力）不足が明らかになるなど、課題も抱えた。
F-4 (戦闘機) 海外の採用国と派生型一覧
F-104J/DJが実戦部隊から退いた1986年（昭和61年）からは数の上でもF-15Jが主力戦闘機となるが、1989年（平成元年）より延命・能力向上目的の改修を受けた90機が「F-4EJ改」となり防空任務に就いた。また、RF-4E偵察機2機の事故減に対して、1990年（平成2年）より15機の近代化改修対象外の初期型F-4EJを偵察型「RF-4EJ」に改修した。三沢基地の第3航空団第8飛行隊はF-2の配備遅延のために1997年（平成9年）から繋ぎとしてF-1の代わりにF-4EJ改を支援戦闘機として運用していた。
2020年（令和2年）、F-4EJ改を戦闘機部隊として最後まで運用していた第301飛行隊が茨城県百里基地の第7航空団から青森県三沢基地の第3航空団に移動し、F-35Aに機種更新した。翌2021年（令和3年）3月17日に飛行開発実験団所属のF-4EJとF-4EJ改が退役し、航空自衛隊に於ける全てのF-4の運用は終了した。ただし、博物館に寄贈された以外、多数の機体が自衛隊に残されている。
また、RF-4E/EJ改を運用している百里基地偵察航空隊第501飛行隊を、偵察型に改修したF-15Jで更新する計画があった。しかし2020年（令和2年）現在、計画は凍結となっている。
第2次F-X選定
F-4 (戦闘機) 海外の採用国と派生型一覧
航空自衛隊では最初の主力機F-86Fの老朽退役が始まることから、1966年（昭和41年）より後継機選定を開始した。だが、前回のF-Xでの汚職事件を受け、今回の選定作業は極秘裏に行われることとなった。
1967年（昭和42年）10月よりの選定で以下の9機種の名が挙げられた。
更なる選定により1968年（昭和43年）7月の第二次調査結果までにF-4E、CL-1010-2、ミラージュF1の三機種までに絞られた。CL-1010-2は実機が存在しないこと、ミラージュF1は導入経験のない欧州機だったことから、F-4Eの導入が最有力とされ、航空自衛隊の現場からも「F-4しかない」との声も挙がっていたという。同年11月、F-4E導入を決定し、翌年の1969年（昭和44年）1月10日の国防会議でF-4E（104機）の導入を正式決定し閣議了承を受けた。この時点でのF-4EJ一機当たりの価格は、20億円だった。
導入計画
F-4 (戦闘機) 海外の採用国と派生型一覧
当初の第3次防衛力整備計画ではF-4EJ四個飛行隊分（104機）の編成を予定した。しかし、1967年（昭和42年）の国会で日本社会党や日本共産党などの野党の追及を受けた防衛庁長官の「周辺国の脅威になる爆撃機能（対地攻撃能力）を持たせない」との答弁を受けて、核兵器制御装置（DCU-9/A）、爆撃コンピュータ（ASQ-91）、空対地ミサイル・ブルパップ制御装置（ARW-77）、空中給油装置を省略した機体をF-4EJとして採用した。後に対地攻撃能力はF-4EJ改への改修の際に追加されている。なお、AN/APR-36/-37についてはライセンス生産が認められなかったため、国産のJ/APR-2が開発されて装備されている。
これに加え、沖縄返還による戦闘機部隊増強のために24機、さらに第三次FXの選定の1年延長による12機の追加をうけて、最終的に140機を導入した。また、1974年（昭和49年）にはRF-4Eを14機輸入し、追加配備している（後述）
最初の2機が完成品輸入、続いて11機がノックダウン生産、残りの127機が三菱重工業でのライセンス生産で調達された。
F-4 (戦闘機) 海外の採用国と派生型一覧
当初、大蔵省（当時）は米軍調達価格とライセンス生産の価格差に難色を示していたが、全機完成品輸入であった西ドイツなどと比較して、機体あたり2億円程度の差であることから、保守運用の利便性や貴重な外貨の流出を抑える効果を認めてライセンス生産に同意した。結果として、F-4のライセンス生産（自国生産）が行われたのは日本のみであるが、日本は研究開発費分担金として機体単価17億円の0.8パーセント、約1,400万円の104機分、計18億円をアメリカ政府に支払っている。
機体の旧式化による性能向上が必要となったため90機をF-4EJ改に改修し一部の機体を支援戦闘機として運用した。また、偵察機としてRF-4EとF-15配備で余剰となったF-4EJを偵察機に改造したRF-4EJも運用している。
海上自衛隊も第4次防衛力整備計画（4次防）に於いて、敵の制空権下で洋上哨戒を行い、艦隊の上空援護や洋上攻撃を行う「高速哨戒機」としてF-4EJを導入する計画を立てていた。機数は海上自衛隊の1飛行隊として、9機から11機の導入が計画されていた。
機体
航空自衛隊では、4種類のF-4を運用していた。2020年3月末時点のF-4EJ/EJ改の保有数は26機、RF-4E/EJは6機であった。
F-4EJ
第302飛行隊所属のF-4EJ（1978年）
F-4 (戦闘機) 海外の採用国と派生型一覧
ベースとなったF-4E前期型から対地攻撃能力や空中給油能力を除去し、スクランブル発進時の加速力を重視して、前縁フラップ付きのハードウイングを採用。他国のF-4E後期型の主翼が持つ空戦能力を重視した可動式前縁スラットは省略されている（というより、E前期型がベースなので、元々付いていない）。スタビレーター（水平尾翼）は固定式前縁スラット（スロット）付きであり、空中戦闘における良好な旋回性能を確保している。エンジンはF-4Eが搭載したJ79-GE-17とほぼ同型のJ79-GE(IHI)-17を搭載。MXU-4/A火薬カートリッジスターターによる自力始動が可能。F-4EJ/EJ改は米空軍型のF-4Eに準ずるので、後席にも操縦桿がある。F-4EJ/EJ改専用トラベルポッド（Cargo Pod）は、不要になったF-104J用の翼端燃料タンクを改造して作られており、航空祭などで他の基地へ移動する際にパイロットの私物や展示用の備品、帰りのドラッグシュートなどを収納するための装備である。左翼のインボードパイロンに吊られるのが一般的であるが、両翼に吊られる場合もある。
F-4 (戦闘機) 海外の採用国と派生型一覧
1971年（昭和46年）7月25日に2機（機番301・302号機。日本のF-4の機番は300番台から始まる）を完成輸入し、続く11機（303～313号機）を三菱重工業でノックダウン生産、127機（314～440号機）をライセンス生産により国産とした。1981年（昭和56年）5月20日に最終440号機を納入している。
1972年（昭和47年）8月1日臨時第301飛行隊を編成。4号機墜落事故（1973年（昭和48年）5月1日）による2ヵ月半の飛行停止措置を経て1973年（昭和48年）10月16日に同隊は臨時が取れ正式発足。その後1981年（昭和56年）までに302から306SQまでの計6個飛行隊が編成された。1975年（昭和50年）11月1日より302SQに対領空侵犯措置任務が付与されアラート待機を開始した。
国産機中90機を戦力向上と寿命延長を目的としてF-4EJ改に改装し、F-15導入で余剰となった15機は偵察機RF-4EJに改装している。改修対象外の機体は各飛行隊で標的曳航などの訓練支援や運用試験に用いられてきたが次第に運用の幅は狭まり、1999年（平成11年）に12機を小牧基地の簡易格納庫に保管することとなった。2020年の時点で可動状況にあるF-4EJは飛行開発実験団の数機のみとなっていた。2021年3月に全機退役。
F-4EJ改
F-4 (戦闘機) 海外の採用国と派生型一覧
三沢基地から離陸するF-4EJ改（2002年）
F-4EJ国産機の機体寿命延長と能力向上を目的とした改修を行った機体。レーダー、FCS（火器管制システム）の近代化、航法、通信能力の向上、搭載ミサイルの近代化、爆撃機能の向上が図られ、前席は計器盤中央上部にあるレーダースコープと光学照準器もF-4EJから大きく変更され、後席もレーダースコープとレーダーアンテナコントローラーの位置や形状がF-4EJと異なる。
1980年（昭和55年）からF-4EJの延命・能力向上研究を開始し、1981年（昭和56年）度に改修設計作業を開始した。1982年（昭和57年）2月20日に航空機構造保全プログラム（ASIP）検査方式による機体寿命の延長 と戦闘能力の向上が可能であると判断し、昭和57年度に07-8431号機を三菱重工へ引き渡し改装、1984年（昭和59年）7月17日に初飛行、12月13日に航空自衛隊へ引き渡された。
F-4 (戦闘機) 海外の採用国と派生型一覧
改修は下記の通り、アビオニクス類を中心としている。
セントラルコンピュータとしてJ/AYK-1搭載による、兵装システムの統合とASM-1/ASM-2空対艦ミサイル運用能力の獲得。無誘導爆弾による対地攻撃能力の付与。操作方式が、F-4EJの手動式から自動式になり、対地/対艦攻撃能力が向上している。
APQ-120レーダーをAPG-66J（F-16A/Bで使用のAPG-66改造型）に換装し、目標探知距離を80nm (148km) まで延伸した上、ルックダウン・シュートダウン能力（下方低空の目標を探知・攻撃する能力）を改善
F-15J用の誘導指令装置を追加し、APG-66J搭載のみでは失うAIM-7F スパロー空対空ミサイルの運用能力を付与
レーダー警戒装置(RWR)をJ/APR-6に更新。脅威レーダーの受信周波数域が拡大され、新しい世代のレーダーに対応が可能となった。表示の面では、電波源の方向を8方位から、電波源からの距離（電波の強さ）を3段階で表示するものだったのが、CRTによるデジタル式表示となった。
AN/ASR-63 アナログ式慣性航法装置をデジタル式のJ/ASN-4に更新。誤差を1/3に改善のほか、目視確認による位置のアップデート機能と12ヶ所の目標場所と3ヶ所の目標座標を記録できるターゲット･マーク機能を有する。
F-4 (戦闘機) 海外の採用国と派生型一覧
IFF敵味方識別装置をAN/APX-76Aに更新。従来のものは、地上のレーダーや他の航空機からの質問信号に対して応答信号しか送信できなかったが、更新されたものは、前者の機能の他に、自機から他の航空機に質問信号を送信することが可能となった。
AN/ASC-26 光学照準機をカイザー社製HUDに変更、機能はF-4EJ改独自のものとなっている。
レーダーディスプレイをJ/AVQ-3に変更
AN/ALQ-131(V)ECMポッドの搭載能力の追加。RF-4EとRF-4EJにも搭載可能。通常はF-4G ワイルドウィーゼルのように、機首下左側のSta.4に搭載する。左翼のインボードパイロンに搭載することもある。
HOTAS概念の導入。スロットル･レバーに8個のスイッチ類が付いており、スロットル･レバーと操縦桿に手を置いたまま各種の操作が可能となった。
レドームにライトニング・アレスター（ライトニング・ストリップ）を7本追加
F-4 (戦闘機) 海外の採用国と派生型一覧
胴体下の 600Gal 増加燃料タンクをハイ-Gタンクに変更。これにより、ACM（空戦機動＝Air Combat Maneuver）訓練でも、増槽搭載時で最大7Gまでかかる機動が可能となった。通常、胴体下に600Gal（正確には610Gal） ハイ-Gタンクが搭載される場合は、両翼下の370Gal タンクは搭載されない。ただし、偵察機は燃費の悪い低空を飛ぶことが多いため、通常3本の増槽を吊ってフライトする。
機内燃料タンク容量は約1,400Gal、主翼内は約640Galなので、総容量は2,000Galを超えるが、2基の搭載エンジンの燃費から、機内燃料での飛行時間は2時間にも満たない。
航空自衛隊のF-4にシャークティースが最初に描かれたのは、1998（平成10）年の第301飛行隊または第302飛行隊であった。その後、RF-4にも描かれるようになった。
なお、改修時に放置した配線が原因となりM61A1を誤射する事故（不時発射事故・後述）が発生したため後に対策が施された。
F-4 (戦闘機) 海外の採用国と派生型一覧
F-4EJとの外見的な差異は、胴体の上に付いているTACAN（戦術航法装置）のアンテナがVHF/UHF無線機用に大型化され、両主翼端や垂直尾翼上端に新型RWR（レーダー警報受信機）のJ/APR-6の半円球のアンテナが付き、これにより、尾翼上端の尾灯に死角ができたため、機体尾端のポップアップドアにも尾灯を追加、コックピットの照準装置がHUDに変わった、等が挙げられる。一部の機体では、水平尾翼（スタビレーター）の上下面にアロー型の補強板を追加。
1987年（昭和62年）度予算で量産改修が認められ、1989年（平成元年）に量産改修1号機が小松基地第306飛行隊に配備、1993年（平成5年）までに第301・302飛行隊がF-4EJ改に改編と続き90機が改修配備された。次期支援戦闘機計画（FS-X）での機種決定の遅れから、F-2の配備開始がF-1支援戦闘機の退役開始時期に間に合わなくなった。そのためF-15を追加購入し、小松基地の第306飛行隊をF-15J/DJに改編して捻出した機体をF-2配備までの繋ぎとして三沢基地第3航空団第8飛行隊に配備することとした。 結果1996年（平成6年）にF-1からの機種更新を完了している。その後、第8飛行隊は2009年（平成13年）にF-2への機種更新を完了している。2021年3月に最後の1機が運用を終え、全機退役。