與梅林發動機的邂逅
在首批野馬MK.Ⅰ抵達英國約半個月之後，4月30日，在位於達克斯福德的皇家空軍空戰戰術研究部隊（Air Fighting Development Unit），羅爾斯-羅伊斯公司（Rolls-Royce PLC）的資深試飛員羅納德·W·哈克在基地司令的盛情之下偶然間獲得了試乘野馬MK.Ⅰ的機會。而此時野馬MK.Ⅰ在所配屬的各飛行中隊已然大致上完成了慣熟訓練，即將投入一線參與實戰，因此哈克本人此前已經從很多飛行員口中初步了解到了一些對於該機的第一印象。
配備艾裡遜發動機的野馬MK.Ⅰ的高空性能是個問題
在這些已經駕駛過野馬MK.Ⅰ有相當一段時間的飛行員們的意見非常一致，對於該機出類拔萃的飛行速度，優秀的操縱性能，可以耐受劇烈機動動作的堅固機體結構，以及英國空軍作戰飛機難以企及的超遠續航能力稱讚有加，只是，往往在一通讚揚之詞的背後必定會加上一句「高空性能另當別論」。
對於平素就試飛過大量搭載羅爾斯-羅伊斯公司發動機的各式機體，相關經驗十分豐富，並且親自參與過對繳獲的德國軍用飛機進行性能摸底測試的哈克而言，對於初次接觸的機體就立即進行試飛也並非什麼特別稀罕的事情。
於是，哈克立即鑽入野馬MK.Ⅰ的駕駛艙，開始了為期30分鐘的試飛，結果獲得的印象與其他飛行員的感受相差不大。哈克本人也通過親身的體驗感受到了該機遠勝於噴火MK.Ⅴ的優秀性能，當然，這個所謂的優秀性能要在飛行高度至多不能超過4500米的條件下才能成立。與此同時大量運用空氣動力學最新研究成果的機體各部設計，以及無可挑剔的飛機製造工藝等其他方面也都給哈克留下了深刻的印象。
確實，野馬MK.Ⅰ型戰鬥機爬升至中高度以上空域時性能就會出現斷崖式的下降，但對航空發動機頗有研究的哈克深知這絕非該機的機體構造或者機體設計存在問題，而是受其搭載的艾裡遜V-1710發動機的性能所限。於是產生了為野馬MK.Ⅰ搭載自家生產的最新型航空發動機的念頭。
當時，羅爾斯-羅伊斯公司正在全力以赴生產配有雙極雙速機械式增壓機進一步提升了高空性能和發動機額定輸出功率的梅林（Merlin）60系列發動機，以取代之前的梅林40/50系列發動機。預計該發動機將裝備接替噴火MK.Ⅴ型的地位，有望成為皇家空軍新一代主力戰鬥機的噴火MK.Ⅸ型，與此同時噴火MK.Ⅸ型戰鬥機的批量生產工作也已經在超級馬林公司的工廠正式啟動。
羅爾斯-羅伊斯公司研製的梅林MK.61型發動機
於是，哈克立即返回了羅爾斯-羅伊斯公司位於諾丁漢北部哈克諾爾的工廠，與公司的航空動力學專家進行了討論，拜託技術人員們對野馬MK.Ⅰ搭載梅林MK.61型以及梅林MK.ⅩⅩ型發動機後的性能進行了推算。
結果令人感到十分震驚—根據專家計算搭載梅林MK.61發動機之後野馬MK.Ⅰ的最大平飛速度竟可以達到710千米/小時（高度7,620米），即使搭載稍遜一籌的梅林MK.ⅩⅩ型發動機也可以達到644千米/小時（高度5,670米）的高水平，令人感到難以置信。相比之下，哈克試乘的野馬MK.Ⅰ的最大平飛速度則僅有597千米/小時（高度3,965米），兩者速度相差達113千米/小時，而且是在測試高度相差3600米的情況下得出的結果。
羅爾斯-羅伊斯 梅林MK.ⅩⅩ型發動機 性能更偏重於中空
基於此次推算得出的數據，哈克通過羅爾斯-羅伊斯公司向當時的英國空軍部（皇家空軍的行政管理部門，1964年後主要職能併入英國國防部）提交了為野馬MK.Ⅰ配備梅林60系列發動機的計劃案。
在經過一番討論之後，英國空軍部正式批准了哈克提出的方案。只不過，由於梅林MK.61型發動機的產能嚴重不足，提供給自家的噴火MK.Ⅸ型戰鬥機使用尚且不夠充裕，而噴火MK.Ⅸ型戰鬥機又是皇家空軍高空作戰不可動搖的主力，因此為了避免互相干擾，方案候補的發動機型號被更換為了更適合在中高度使用的梅林MK.65型發動機。
於是，為野馬MK.Ⅰ更換羅爾斯-羅伊斯梅林發動機的方案以野馬MK.Ⅹ計劃的名義正式啟動。3架充當測試平臺的野馬MK.Ⅰ型戰鬥機（AM121、AL963、AL975）被迅速運往羅爾斯-羅伊斯公司位於哈克諾爾的工廠，開始進行換裝梅林發動機前的各項準備工作。由於梅林發動機與艾裡遜發動機在外型尺寸上相差不大，僅在高度上梅林發動機要比艾裡遜V-1710高出5英寸（127毫米），因此改造工作較為順利，只需對發動機支架稍加改進即可。
換裝羅爾斯-羅伊斯梅林發動機的野馬MK.Ⅹ 氣動外型設計不如美方簡潔流暢
只不過，由於梅林系列發動機的汽化器吸氣口位於發動機的下方，再加上與雙級雙速機械增壓機配套的中間冷卻器也需要大量空氣製冷，因此，原位於機首上方的汽化器進氣口被取消，又重新在機首下方布置了一個面積較大的下頜進氣道，用於容納中間冷卻器同時兼做汽化器的空氣進氣口。原裝的3葉螺旋槳也被更換為與噴火MK.Ⅸ相同的4葉螺旋槳（直徑3.28米）。
1942年10月13日，改造完成的AL975號機在試飛員羅恩·謝菲爾德上尉的操縱之下成功的完成了首次飛行。緊接著AL963號機和AM121號機也分別於11月13日和12月13日相繼升空。此後新加入的AM203號機和AM208號機也於1943年1月21日、2月7日相繼換裝梅林發動機後開始測試。
測試中的野馬MK.Ⅹ
試飛的結果表明換裝發動機後野馬在性能方面提升明顯，最大平飛速度達到了630千米/小時，雖然比理論計算值（632千米/小時）稍低，但差距幾乎可以忽略不計，而爬升能力等方面則有了質的飛躍，這令英國軍方感到十分滿意。而且在配備專門為該機研發的新型4葉螺旋槳（直徑增至3.45米）後，樣機更是在10月21日舉行的第7次試飛時飛出了695千米/小時（高度6,095米）的佳績，令在場的所有技術人員都感到震驚。
面對這一遠超預期的結果，英國軍方立即制定了為目前在冊的500餘架野馬MK.Ⅰ依照MK.Ⅹ的規格進行改造的龐大計劃，然而，該計劃隨後就由於梅林發動機的供給出現問題而被迫中止。好不容易才研製完成的性能增強型野馬還未及橫空出世就面臨著胎死腹中的危機。
正在這個關鍵時刻，一位對於野馬式戰鬥機的日後發展貢獻頗為卓著的人物，從位於倫敦的美國大使館匆匆趕到了達克斯福德。
P-51B與希區柯克少校
當時，在駐倫敦的美國大使館武官中，有一位名叫託馬斯·希區柯克的少校。他早在一次世界大戰期間，就以18歲的小小年紀加入了著名的「拉斐特」美國援法志願飛行中隊，在上次大戰中，他曾一度在德佔區迫降被俘，隨後又憑藉自己的機智設法逃脫了德軍的層層追捕成功潛入瑞士脫險，是一位擁有傳奇經歷的著名飛行員，值得一提的是，多才多藝的他戰後甚至還成為了一名知名的馬球運動員活躍於體壇。
託馬斯·希區柯克少校（1900-1944）
這位希區柯克少校在駐英期間的一次訪問中，無意間從羅爾斯-羅伊斯公司方面了解到了一些有關野馬MK.Ⅹ項目發展的詳細情況。
原本就是戰鬥機飛行員出身的希區柯克少校對該項目產生了非常濃厚的興趣，回到大使館後就立即向上司進行了匯報。
另一方面，實際上早在英國對德宣戰之後，羅爾斯-羅伊斯公司就已經預見到了自己有限的產能遲早將無法滿足未來激烈戰爭的需要，開始尋求與美國國內企業合作生產梅林系列航空發動機的可能性。最初,羅爾斯-羅伊斯比較中意的合作夥伴是美國汽車製造業的龍頭企業福特汽車，然而經過一番談判之後，福特拒絕了英國人的提議，於是羅爾斯-羅伊斯公司又把目光投向了另一間美國汽車製造業的名門派卡德汽車公司。派卡德公司在此前擁有過生產「自由」L-12型液冷發動機的相關經驗，再加之在美國國內除艾裡遜系列之外別無其他液冷航空發動機的現狀下，商業前景也較為可觀，於是，兩家公司一拍即合，迅速籤署了以許可證生產羅爾斯-羅伊斯梅林系列航空發動機的合約。
1941年8月2日，梅林MK.28型發動機的許可生產版，派卡德·梅林V-1650-1（起飛功率1,300馬力）型發動機在派卡德公司位於底特律的工廠內開始進行臺架測試，並於翌年正式轉入批量生產。V-1650-1型發動機主要用於裝備P-40F型戰鬥機，以及同樣以許可生產的方式由加拿大代工的蘭開斯特重型轟炸機和蚊式戰鬥轟炸機。隨後，配備雙級雙速的梅林MK.60系列發動機的生產也已經提到了日程之上。
話題再次轉回到希區柯克少校的身上，作為一名業內人士希區柯克少校對於派卡德公司已經開始生產先進的梅林系列航空發動機的情況非常了解，認為美國陸軍也應該像英國人的野馬MK.Ⅹ項目那樣為P-51型戰鬥機換裝高性能發動機以進一步改善性能。
亨利·H·阿諾德將軍 （1886-1950）
於是，希區柯克少校立即返回了美國，與當時的美國陸航最高長官亨利·H·阿諾德上將進行了面對面的交流。在認真聽取了少校的建議之後，阿諾德將軍於1942年7月25日正式下達命令，批准由北美航空公司負責為P-51換裝梅林發動機，當時的研製項目代號為XP-78（北美公司內部代號NA-101）。北美公司在接受到指示之後立即抽調了兩架P-51（編號41-37352、41-37421）開始進行改裝。
北美公司的改裝方案雖然與英方類似，同樣將原位於機首上方的汽化器進氣口挪到機首下方，但為了減小空氣阻力，縮小下頜進氣道的面積，與機械式增壓機配套的中間冷卻器沒有布置在機首而是與位於機腹的主冷卻器集成在了一起。由於兩臺發動機的尺寸相差無幾，因此改造的工作量並不算大。
發動機方面，最終選擇了高空性能更為良好的派卡德·梅林V-1650-3（起飛功率1,400馬力），該發動機實際上就是當初英國人原打算為野馬MK.Ⅰ裝備的梅林MK.61型發動機的許可生產版本。為了更好的發揮發動機的性能提升推進效率，螺旋槳選用了漢密爾頓標準公司研製的4葉定速螺旋槳（直徑3.41米）。
XP-51B樣機
1942年11月30日，當時已改稱XP-51B的樣機（41-37352）在換裝梅林發動機之後，在試飛員鮑勃·齊爾頓的操縱之下成功完成了首飛。不過，在這次試飛之中樣機的發動機出現了比較明顯的過熱現象，必須對進氣口和冷卻器的設計進行修改，並為此耽誤了約一個月左右的時間。
不過，早在試飛開始一個半月之前，北美航空公司高層和美國陸軍的相關人士就已經獲悉英國的野馬MK.Ⅹ型已經成功首飛，並且在測試中飛行性能方面有了質的飛躍的情報，這給予了美方很大的信心，XP-51B搭載的帕卡德V-1650-3發動機的性能比野馬MK.Ⅹ搭載的梅林MK.65發動機還要向強勁，XP-51B無疑將擁有比野馬MK.Ⅹ還要出色的多的性能。
於是，美國陸軍未等XP-51B的試飛工作重新開始，就於12月28日與北美航空公司籤訂了批量生產P-51B型（NA-102、NA-104）戰鬥機1,988架的巨額合同。另一方面，英國空軍主導的野馬MK.Ⅹ的研製雖然獲得了成功，但受困於發動機的產能問題，最終還是放棄了批量生產該機的計劃，轉而選擇基於《租借法案》的相關條款裝備美國提供的P-51B型戰鬥機。
在與美國陸軍籤訂巨額合同之後，北美航空公司判斷僅憑公司現有的英格伍德工廠的產能必將無法按照合同的約定按時交付足夠數量的飛機，於是，又在德克薩斯州的達拉斯建立了新的飛機生產線，生產與P-51B規格完全相同的P-51C型戰鬥機（公司內部代號NA-103、NA-111）。
至此，希區柯克少校當初的設想最終成為了現實，從第二次世界大戰的發展進程來看，應該說其功績之大是後世難以估量的。此後，少校再次返回了英國，但此時的身份已然變成了駐歐第9航空軍的幕僚。
1944年4月18日，希區柯克少校親自駕駛因他的提案才得以誕生的P-51B型戰鬥機起飛升空，在英格蘭的南部上空稍事飛行之後，少校開始駕機高速俯衝以檢測其性能。
結果在高速俯衝過程中，機體兩側主翼突然折斷，隨後被強烈的氣流吹飛，而搭乘著少校的機身則一頭扎進了索爾茲伯裡的廣袤原野，一直以來希望親自駕駛P-51B參與實戰的希區柯克少校，在反攻歐洲大陸的號角即將吹響之前，永遠的閉上了雙眼。
事後調查的結果表明，造成此次墜落事故的原因是位於機翼上表面的機槍檢修口蓋的蒙皮太薄，在負壓的作用下向上捲起褶皺，再加上機翼自身應力影響，最終導致機翼被完全撕裂。北美航空公司在獲悉事故發生之後立即對機槍檢修口蓋處的蒙皮進行了加厚補強，於是此後類似的事故再也沒有發生過。
後來，P-51系列戰鬥機的設計師埃德加·舒默德在就希區柯克少校的逝世進行悼唁的時候，奉上了如下悼詞：
「我們，野馬，以及整個北美航空公司，從此失去了一位無可替代的友人」。
在無盡的戰場上馳騁
1943年5月5日，首架在北美航空公司英格伍德工廠組裝下線的P-51B型戰鬥機（編號43-12093）成功完成了首飛。緊接著8月5日，由達拉斯工廠生產完成的首架P-51C型也按照計劃順利升空。此後兩家工廠隨即全力以赴的投入到了新型野馬的生產之中。
新出廠尚在試飛中的P-51B 採用美國陸軍機標準的全面橄欖綠色塗裝
P-51B/C型除發動機之外在機體設計上與P-51A型大致相同，主要改進是對機腹散熱器進氣口的位置形狀進行了調整，讓進氣道上唇口少許下移遠離機翼下表面，避免吸入附面層紊亂氣流進而影響散熱效率。除此之外，主翼燃料箱的容量也有少許增加，由A型的180加侖（約合681公升）增加至184加侖（約合696公升）。這一數值幾乎是噴火MK.Ⅸ型戰鬥機386公升內油量的近兩倍，再加上超群的巡航速度（P-51B/C的巡航速度達到了583千米/小時的高速，相比較之下噴火MK.Ⅸ的巡航速度僅有526千米/小時）使P-51B/C擁有了無與倫比的續航能力。
美軍最初試圖用密集的編隊和轟炸機的自衛火力抵禦德國戰鬥機部隊的進攻
駐英國的美第8航空軍於1943年初開始使用B-17和B-24型重型轟炸機對德國本土實施戰略轟炸。然而，為這些轟炸機提供護航掩護的戰鬥機—英國的噴火，以及美國的P-47雷電的航程都不夠遠，最多只能掩護到比利時與荷蘭的沿岸區域，在編隊深入歐洲大陸以後，可以依靠的就僅剩下轟炸機自身的自衛火力了。因此，每次出擊都會遭到德國空軍戰鬥機部隊的強力阻截，損失十分慘重。
一架機首被打爛的B-17型轟炸機 ，領航員恐怕已經兇多吉少
對於認為只有實施精確的晝間轟炸才能使納粹德國迅速屈服的第8航空軍而言，能夠實施全程伴隨·護航掩護的遠程戰鬥機是眼下最為亟需的，特別是在8月17日實施的對德國施韋因富特滾珠軸承加工廠的空襲行動中，參戰的總共376架轟炸機中有60架被德軍擊落，50架重傷報廢，損失率竟然高達16.2%，導致564名空勤人員陣亡或被俘。而在第8航空軍對施韋因福特的軸承廠實施第二次空襲時情況變得更加嚴重，共計損失轟炸機72架，648名空勤人員被認定陣亡、或失蹤被俘—佔據全部參戰的2900名空勤人員的18%，這對第8航空軍的士氣造成了相當嚴重的影響，就連第8航空軍的高層也再難掩飾自己的擔憂，這樣高的損失率如果繼續維持下去部隊甚至有可能拒絕出擊。
1943年11月，美國陸航第354戰鬥機大隊的飛行員們抵達了在位於倫敦以西格林漢姆公地的皇家空軍機場。第354戰鬥機大隊是在美國國內使用P-39型戰鬥機完成了全部訓練科目之後，空著手被部署到英國的。當小夥子們得知自己即將換裝最新型的P-51B型戰鬥機的時候發出了振奮的歡呼聲。而此前他們一直都以為自己來歐洲至多只能開P-47雷電執行一些對地攻擊任務，因為第354戰鬥機所隸屬的第9航空軍在歐洲戰區主要負責對地戰術支援。
初到英國的P-51B 歐洲戰場此時亟需遠程單座戰鬥機
不過，此時最需要P-51B護航的是負責戰略轟炸任務的第8航空軍，因此作為一項應急措施，第354戰鬥機大隊被緊急編入第8航空軍的作戰序列，劃歸該軍第8戰鬥機司令部指揮。
在編入第8航空軍之後，第354戰鬥機大隊就在久經沙場的老將原第4戰鬥機大隊指揮官唐納德·布萊克斯利的率領下，立即開始了高強度的換裝訓練。至12月1日，在歐洲沿岸地區完成實戰首秀之後，就於當月11日，掩護己方轟炸機部隊深入歐洲大陸腹地對德國境內的埃姆登實施了戰略轟炸。
P-51B/C的出現大大扭轉了歐洲上空的局勢
雖然，最初P-51B/C型戰鬥機僅在主翼內部設置了油箱，但伴隨著戰爭的進程和部隊的需求，從P-51B-5批次第251號機（43-6563）開始，又在飛行員座椅後方增設了一個容量為85加侖（約321公升）的機內油箱。再加上可以在翼下吊掛的兩個容量為75加侖（約284公升）的副油箱，使飛機的燃料總攜載量達到了驚人的1,585公升，這樣一來德國全境都將納入到以英國為基地起飛的P-51B/C型戰鬥機的作戰半徑之內。只是，這個新設的機內油箱距離機體重心較遠，對於飛機的飛行安定性具有一定程度的損害，因此實際上並不能加滿使用，正常情況下加注燃料料總量不得超過65加侖（246公升），並且在該油箱內剩餘燃料超過40加侖（151公升）的情況下嚴禁飛行員做任何特技動作，也就是說不能進行空戰。因此，駕駛P-51B/C型戰鬥機的飛行員，通常都優先使用這個機身內部的油箱內的燃料，等這個油箱內的燃料耗盡之後，再使用外掛副油箱內的燃料。相較之下其他型號的戰鬥機通常都優先使用副油箱內的燃料。而此前生產的B-1、C-1等各批次也按照B-5批次的標準加裝了機身油箱，為了便於識別，這些經過改裝之後的飛機後被改稱為P-51B-7和P-51C-3。
現存於世的P-51C型戰鬥機 除了在達拉斯生產之外與B型基本沒有區別
緊接著，P-51B-15和P-51C-5批次又相繼換裝了進一步提升了性能的派卡德V-1650-7型發動機（起飛功率1,450馬力）。V-1650-7為梅林MK.69型發動機的許可仿製版，在中高度空域擁有更為良好的性能。
隨著高性能的P-51B/C型戰鬥機的出現，此前在本土防空作戰中佔據有一定優勢的德國空軍戰鬥機部隊不得不逐漸趨於守勢，在蜂擁而至的野馬面前，其活躍程度亦開始大幅度的降低，為了減少消耗，德國空軍開始選擇儘量避免與盟軍戰鬥機正面交戰的戰術。
正在補充彈藥的P-51B型戰鬥機，可以清晰的看到兩挺機槍呈傾斜狀，因此彈鏈在供彈時需要先扭轉一個很大的角度增加了額外的阻力
另一方，儘管表現可圈可點，但也並不能說P-51B/C已經達到了完美無缺的地步。比如說頻繁的機槍故障的問題就一直困擾著該機，這一點遭到了飛行員的一致惡評。這主要是由於P-51B/C型戰鬥機主翼內部的12.7毫米機槍為了節省空間選擇了向內側傾斜安裝，導致彈鏈在供彈路線上需要拐一個彎，結果在飛行員做比較劇烈的機動動作時比較容易引起卡彈故障造成機槍啞火。另外按照美國的標準該機4挺12.7毫米機槍的火力也顯得較為貧弱。
部署在歐洲的P-51B/C型戰鬥機大多在外場換裝了被稱作馬爾科姆艙蓋的氣泡狀推拉式艙蓋，搭載派卡德·梅林發動機的P-51B型最終生產了1988架，P-51C型生產了1750架，在這其中有910架提供給了英國使用，被皇家空軍統稱為野馬MK.Ⅲ型。
除此以外，自NA-73X時代繼承下來的溜背式駕駛艙的設計也存在著一定問題，一直給人一種空間逼仄狹窄高度不夠的印象，特別是在空戰中六點鐘方向的視野不佳存在相當的盲區，因此有相當數量的P-51B/C型戰鬥機在英國換裝了由英國工程師羅伯特·馬爾科姆研製的氣泡型推拉式座艙蓋，加裝了後視鏡，在一定程度上提升了座艙的高度，改善了後方的視野，但問題仍然未能在根本上得到解決。
姍姍來遲的P-51D/K
在得到基層一線部隊的使用反饋之後，北美航空公司決心為P-51型戰鬥機配備具有360度視野的全新水滴型座艙，同時設法進一步增強火力，於是迅速調撥了兩架P-51B-10-NA專門用於改裝試驗，並獲得了XP-51D的正式研製編號。
XP-51D樣機
由於改造的工程量並不算大，因此研製工作進展十分順利，1943年11月7日，採用水滴型座艙的XP-51D即在北美公司的試飛員羅伯特·齊爾頓的操縱下成功的完成了首次試飛。試飛結果表明水滴型全玻璃化座艙令XP-51D的視野有了質的飛躍，火力方面也有所加強，翼內機槍由原來的4挺增至6挺，備彈量也由1260發增至1880發，同時改進了供彈系統。因此P-51D迅速於1944年2月在北美英格伍德工廠投入了批量生產。
量產型P-51D在垂直尾翼根部加裝了背鰭，在皇家空軍該機亦被稱為野馬MK.Ⅳ
配備水滴型座艙可以說是P-51系列戰鬥機繼換裝梅林發動機之後的第二項重大改進，但取消溜背式座艙設計之後所導致的機身側面積的減少也對飛機的橫向安定性造成了不良影響，因此從P-51D量產第650號機（編號44-13902）開始，在垂直尾翼根部增加了一個小面積的背鰭。而之前生產的飛機也在隨後按照這一標準在前線機場進行了改裝。另外從P-51D-20-NA批次第1,201號機和P-51D-25-NT批次開始，野馬系列戰鬥機開始陸續配備在引進的英國技術的基礎上研製的K-14A或K-14B型陀螺穩定瞄準具，該瞄準具具有在200-800碼範圍內（183-732米）根據敵機翼展計算射擊提前角的能力，而不用像以前一樣由飛行員自己估算射擊提前量，只需簡單的訓練便可以有效的提升射擊的準確率。
K-14A 型陀螺穩定標準具 可由模擬式彈道計算機計算射擊提前角 並以光標的形式自動投射在反光目鏡上
由於P-51D服役時，德國空軍的抵抗能力已經日漸薄弱，在天空中遇到敵機的機會也變得越來越少，更不要說遭到空襲了，軍方認為沒必要在掌握空中優勢的情況下繼續保持地面偽裝，於是噴漆和乾燥流程在生產工藝中消失了，P-51D出廠時不再使用美國陸軍航空部隊傳統的全面橄欖綠塗裝，這樣做既提升了生產的效率又減輕了機體的重量（大概減少了5-7千克），拋光的鋁合金蒙皮還能有效減少阻力。只有駕駛艙前部風擋到螺旋槳槳轂的這段狹窄部分需要工人噴塗一層黑色啞光漆以保護飛行員的眼睛免受陽光反射的幹擾。
P-51D主要用於執行對地攻擊的任務，並為此強化了掛載能力和中低空性能
由於空戰的機會很少，因此P-51D型戰鬥機在來到歐洲以後大多執行對地攻擊的任務，為此從P-51D-25批次開始的野馬的各後期型號開始具備在翼下掛載3聯裝M10型4.5英寸（114毫米）口徑火箭發射巢，以及利用導軌發射5英寸（127毫米）口徑無控火箭彈的能力，大幅度提升了對付裝甲目標的能力。
性能姑且不論，至少P-51D的顏值應該是P-51家族最為出眾的。
不過，在富有經驗的老練飛行員中有不少人認為P-51D的飛行性能不如P-51B/C型戰鬥機，確實，無論是703千米/小時的最大平飛速度（B/C型為708千米/小時），還是爬升至3萬英尺耗時13分鐘（B/C型為12分30秒）的爬升能力P-51D和P-51B/C相比都略微遜色一籌，在高空作戰性能方面也存在著若干的差距，但通過對減速器變速比的調整也使P-51D擁有了更好的中低空性能，在加上所具有的360度良好的視野以及更為強大火力，從均衡的角度來看，P-51D仍然可稱得上是本系列性能最為出眾的型號。
在整個大戰期間，漢密爾頓·標準公司成為了美國一線作戰飛機螺旋槳的主要供貨商，隨著戰爭的規模不斷擴大該公司的產能也日趨緊張起來，為此軍方決定為1500架P-51D配備通用旗下的航空製品公司研製的新型4葉螺旋槳，並稱之為P-51K，以緩解漢密爾頓螺旋槳供貨不足的問題。
與漢密爾頓螺旋槳採用的傳統的鋼製中空槳葉不同，航空製品公司的螺旋槳採用硬鋁合金製造，重量更輕，所採用的新型螺距調節控制裝置可以讓槳葉變距更加迅速，效率更高。但該槳在設計上存在缺陷，在高速飛行狀態下容易發生共振，因此在使用中有近20%的機體需要返廠修理。雖然此後航空製品公司為解決槳葉震顫的問題對設計進行反覆的修改和嘗試，但最終還是未能找到完美的解決方案，因此P-51K儘管除螺旋槳外與P-51D-30-NT完全相同但在性能上有少許的下降。
活塞機性能的巔峰P-51H
儘管P-51型戰鬥機在飛行速度和航程上具有無可爭議的優勢，但與同樣採用梅林發動機的英國噴火MK.Ⅸ相比，由於設計上具有很大的安全裕量，因此正常起飛重量要重1噸以上，所以在爬升能力和機動性能方面不如同級別的英國戰鬥機優秀。
北美航空公司高層在注意到這一點以後，於1943年2月派遣主設計師埃德加·舒默德訪英，通過對英國的噴火式戰鬥機以及繳獲的各型德國軍用飛機進行的實地調查和性能比較試驗，獲取了大量寶貴的第一手的資料，同時引進了英國標準的強度安全係數以及結構強度算法，在此基礎之上，北美公司於1943年7月開始先後製造了7架技術驗證機，試圖以通過減輕結構重量的方式進一步提升P-51型戰鬥機的性能。
在北美公司內部，該項目被稱作NA-105，共分為3種型號，即XP-51F、XP-51G和XP-51J。三種樣機在外觀上均與P-51D較為相似，內部構造上則進行了徹底的簡化，而各型號之間的主要區別是發動機型號不同。
XP-51F技術驗證機
其中XP-51F共計製造了3架，搭載了與P-51B/C相同的派卡德·梅林V-1650-3型發動機，以及航空製品公司製造的直徑為3.35米的3葉鋁製螺旋槳。機體內部非承重部分大量採用了塑料制零部件，進一步壓縮了起落架和輪胎的尺寸，簡化了液壓系統，採用了更薄阻力更小的新型層流翼型剖面，重新設計了機腹冷卻器進氣道的外型以減輕空氣阻力，同時廢除了機身內部的油箱，武器裝備也相應削減為12.7毫米機槍4挺。以上諸項措施使該機與P-51D相比減輕了近2500磅（約1,130千克），自重僅為5700磅（約2,585千克）。
首架XP-51F樣機於1944年2月組裝下線，同月14日即在試飛員鮑勃·齊爾頓的操縱下成功完成首次飛行，至4月12日為止，已共計試飛69回。緊接著2號樣機和3號樣機也分別於5月20日和23日分別完成了首次試飛。隨後XP-51F的3號樣機即被送往英國接受進一步的測試（英國人稱之為野馬MK.Ⅴ，編號FR409）。
XP-51F在測試中飛出了493英裡/小時（793千米/小時）的最高時速，另外在機體重量3,295千克，高度8840米的狀態下亦可以達到749千米/小時的高水平。爬升至20,000英尺高度（6,095米）僅需要不足5分鐘，在高度7,620高度的巡航速度可以達到611千米/小時，最大升限42,500英尺（1,2950米）具有在活塞機中出類拔萃的性能。
XP-51G技術驗證機
XP-51G共計製造了2架樣機，除搭載羅爾斯-羅伊斯RM.14.SM型發動機外，其餘構造基本與XP-51F大致相同，其中1號機試飛時配備了木製5葉螺旋槳，由於該槳在方向安定性方面存在缺陷，僅試飛20分鐘後即被放棄。此後2架樣機在試飛時均換裝了性能更為熟悉的4葉螺旋槳。
羅爾斯-羅伊斯RM.14.SM型發動機配備雙級雙速機械式增壓機，額定起飛功率高達1,675馬力，號稱在使用150號辛烷值燃料時在2,0000英尺（6,095米）高度下，最大軍用緊急輸出功率可達2,000馬力，不過在該發動機於1944年2月運抵美國時，實際上在英國本國也仍處於試驗的狀態，可靠性能不佳，再加上美國的技術人員對於該發動機的性能特點和維護保養缺乏了解，導致研製計劃最終被迫終止。其2號機隨後也被送往英國成為了野馬MK.Ⅴ的2號樣機（編號FR410），根據記載英方於1944年11月14日至1945年2月對該機重新進行了測試。其測試結果為22,800英尺（6950米）高度狀態下最大平飛速度494英裡/小時（796千米/小時），爬升至20,000英尺（6,095米)高度僅需耗時3.4分鐘，實用最大升限46,000英尺（14,020米）。成績十分出色，由於該機沒有配備增壓艙，此時限制機體性能繼續向上突破的，實際上是飛行員的身體狀況。
採用本土發動機的XP-51J 性能是三個型號之中最差的
XP-51J則選擇了配有雙級雙速機械式增壓機以及水/甲醇噴射系統的艾裡遜V-1710-119型發動機（起飛功率1720馬力），具有完全的美國血統。首架樣機於1945年4月23日首飛，設計時速491英裡/小時（786千米/小時）。由於艾裡遜發動機性能不夠穩定，無法做到全功率運轉，因此XP-51J在測試中從來沒有達到過設計指標規定的數值。
三款樣機的外型總的來說差距不大
於是，基於XP-51F的成功經驗和技術積累，1944年4月26日，軍方與北美航空公司正式籤署了製造2,400架輕型化野馬的合同。即P-51H，該機設計上與P-51F大致相同，與P-51D通用的部件僅佔全部零部件的10%左右。1945年2月3日首架P-51H成功下線，在試飛員鮑勃·齊爾頓的操縱下在英格伍德進行了首次飛行。
美國螺旋機活塞戰鬥機的集大成者P-51H，但該機由於參戰時間太晚因此始終未能覓得實戰機會，隨著噴氣時代的來臨，也只能早早退役了。
P-51H全長33英尺4英寸（10.16米）相比XP-51F增加了13英寸（33釐米）具有整個P-51家族最為大型化的體型。通過對機首外型設計的修改，改善了飛行員的前方視野，為了減輕飛行員的身體疲勞，優化了儀錶盤的整體布局，座椅高度也變更為高度可調式設計。同P-51D相比在自身大幅度減重的情況下，依然擁有足夠的裝甲防護，在駕駛艙布置了6.4毫米厚裝甲板，前部風擋採用了38.1毫米厚防彈玻璃，在飛行員座椅後部和頭部也分別布置了厚達7.9毫米和11.1毫米的裝甲。武器裝備方面依然保持了6挺12.7毫米機槍的基本火力不變。
在美國本土編隊飛行的P-51H
發動機方面該機選擇了最新型的配備有水/甲醇噴射系統的派卡德·梅林V-1650-9發動機（起飛功率1,380馬力），雖然從數值上看該發動機功率並不算高，但藉助水/甲醇噴射技術的引入可以使P-51H在4,000英尺高度（1,220米）維持約7分鐘的軍用緊急輸出功率（2,270馬力），在高度10,000英尺（3,050米）的狀態下也能保障具有1930馬力的輸出功率。除此以外P-51H還配有西蒙斯公司研製的自動控制增壓機可以對汽化器進氣壓力進行自動調節，讓發動機在各個高度狀態下都保持最佳的燃料混合比。
優秀的動力和簡潔流暢的氣動外型在機上大幅度減輕的重量令P-51H擁有了極佳的飛行性能，最大平飛速度可達490英裡/小時（789千米/小時）堪稱螺旋槳活塞戰鬥機的巔峰之作。然而由於研製成功時間太晚，P-51H未能趕上歐洲的戰爭，在1945年夏，交付美國陸軍數架飛機之後，太平洋戰爭也結束了。因此該機在僅生產550架生產即告終止，剩餘訂單被軍方全部取消。隨著噴氣時代的來臨，作為P-51系列性能最為出色的本機亦無法倖免，至1957年1月27日，全部P-51H型戰鬥機均已退出現役。