Первой эскадрильей, оснащенной истребителями «Mustang I», стала 26-я эскадрилья RAF, дислоцированная в Гетвике. Первые самолеты прибыли туда в феврале 1942 года. Первое боевое задание «Мустанги» выполнили в мае того же года. Так как летные качества самолета резко ухудшались на высотах более 6000 метров, самолеты использовали в составе Сил взаимодействия с армией (Army Cooperation Command). «Мустанги» использовались в качестве самолетов непосредственной поддержки сухопутных войск, а также в качестве разведчиков. Для проведения разведки самолеты оснащались фотокамерой F-24, смонтированной за изголовьем кресла. До конца 1942 года «Мустанги» поступили на вооружение 15 эскадрилий RAF, дислоцированных в Великобритании.
После того, как были готовы два прототипа ХР-51, USAAF провел испытания полученных образцов в период с 8 октября по 22 декабря 1941 года. Главными конкурентами «Мустанга» были Curtiss XP-46 (новая модификация Р-40 — Р-40Е «Warhawk»), Vultee P-66 «Vanguard», P-43A-1 «Lancer», а также новые модификации серийных Р-38 «Lightning» и Р-39 «Airacobra». Официальные результаты сравнительных испытаний представлены в таблице.
Одновременно велись работы над истребителями необычной конструкции с толкающим винтом (Vultee XP-54, Curtiss-Wright XP-55 и Northrop ХР-56 — это были самолеты, участвовавшие в конкурсе на истребитель нового поколения). Пока росли заказы по ленд-лизу, правительство США заказало только 150 самолетов Р-51 (для сравнения: 1500 Р-40Е-1, 344 P-39D-1, 125 Р-43А-1). Самолеты, выпускавшиеся по ленд-лизу, имели все стандартные американские обозначения, включая американские бортовые номера, а также английские бортовые номера. Фирма была обеспечена заказами на «Мустанги» только до сентября 1942 года.
Новый проект самолета для USAAF получил обозначение NA-91. Контракт на поставку был подписан 7 февраля 1941 года. За машинами закрепили диапазон серийных номеров 41-37320…41-37469. Тип самолета обозначили как Р-51 «Apache». Англичане назвали этот самолет «Mustang IA». От предыдущей модели самолет отличался, главным образом, вооружением. Вместо пулеметов на машине установили четыре 20-мм пушки, разместив их в крыльях. Пушки имели ленточное питание с боекомплектом 125 выстрелов на ствол. Первые пробные стрельбы из нового оружия провел 8 июня 1942 года Роберт Чилтон. Первый серийный Р-51 (41-37320) облетали 30 мая 1942 года. Отправка самолетов в Великобританию началась во второй половине 1942 года. В 1943 году новые «Мустанги» начали замещать в боевых эскадрильях машины прежней модификации. В ноябре 1943 года все эскадрильи «Мустангов» вошли в состав 2-й тактической воздушной армии (2nd Tactical Air Force), сформированной для непосредственной поддержки союзнического десанта, который планировалось высадить в Европе. Всего в RAF получили 93 самолета, дав им бортовые номера от FD 418…FD 567. Два самолета под обозначением NA-101 (ХР-51 В) получили в порядке эксперимента английские двигатели Merlin. Один самолет (41-37324) оборудовали двумя фотокамерами К-24.
Одна камера находилась за креслом пилота, а другая внизу хвостовой части фюзеляжа. 54 машины, переданные USAAF, были оборудованы фотокамерами в полевых мастерских. При этом самолетам присвоили обозначение F-6А, которое в октябре 1942 года сменили на Р-51-2. Самолет сохранил свое штатное вооружение — четыре 20-мм пушки в крыльях. Самолеты-разведчики использовались в составе 11 — К и 154-й разведывательных эскадрилий 68-й разведывательной группы. Свое первое боевое задание самолеты Р-51-2 выполнили 9 апреля 1942 года, над территорией Северной Африки. Это был разведывательный полет над Средиземным морем.
Самолеты Р-51 хорошо набирали скорость при пикировании, разгоняясь до 0,7М. Это послужило причиной свертывания программы по созданию пикирующего бомбардировщика, который было решено заменить истребительно-штурмовым самолетом. Создать такой самолет поручили фирме North American на базе «Мустанга». Работы начались 16 апреля 1942 года. Проект получил заводское обозначение NA-97 и армейское А-36А. Самолет следовало оснастить подвесками, способными нести 227-кг бомбы или подвесные баки емкостью 284 л, а также аэродинамическими тормозами. Было заказано 500 истребителей-бомбардировщиков (42-83663…42-84162). Первый самолет А-36А поднялся в воздух 21 сентября 1942 года. Машины оснащались двигателем Allison V-1710-87 мощностью 1325 л.с./975 кВт на высоте 914 м. Вооружение состояло из шести 12,7-мм пулеметов. С двумя 227-кг бомбами на внешней подвеске А-36А развивал максимальную скорость 498 км/ч на высоте 1525 м. Радиус действия составлял 885 км, практический потолок 7650 м. После сброса бомб скорость возрастала до 592 км/ч на высоте 4270 м, а потолок достигал 8235 м. Самолеты А-36А оказались в составе 12-й воздушной армии слишком поздно, чтобы поучаствовать в боях в Северной Африке. Боевой путь А-36А начал 6 июня 1943 года, когда самолеты 27-й истребительно-бомбардировочной группы атаковали цели на Сицилии.
23 машины А-36А передали англичанам. Там самолет получил известность как «Mustang I (Dive Bomber)» (бортовые номера EW998-). Однако англичане не заинтересовались новой машиной.
Следующей модификацией стал самолет Р-51А (заводское обозначение NA-99). Машин этого типа заказали 310 штук (43-6003…43-6312). От А-36А самолет отличался двигателем V-1710-81 мощностью 1125 л.с./828 кВт на высоте 5500 м. Двигатель можно было кратковременно форсировать до 1360 л.с. Максимальная скорость колебалась от 547 км/ч на высоте 1525 м до 627 км/ч на высоте 6100 м. При массе самолета 3919 кг машина имела практический потолок 9561 м. Вооружение самолета сократили до четырех 12,7-мм пулеметов, размещенных в крыльях, с общим боекомплектом 1260 выстрелов. Самолет мог нести бомбы на внешней подвеске, как А-36А. Чтобы увеличить радиус действия, на Р-51А можно было установить два подвесных топливных бака емкостью 284 л каждый. При перебазировании самолет мог нести на внешней подвеске баки общей емкостью 568 л. Самолет облетали 3 января 1943 года, а поставки начались в марте 1943 года. 50 машин передали RAF, где им присвоили обозначение «Mustang II» и бортовые номера FR 890…FR 939. Эти самолеты англичане получили вместо 57 «Мустангов IA», перехваченных USAAF. 35 самолетов Р-51А переделали в разведчики, оснастив их фотооборудованием как F-6A. Разведчикам присвоили обозначение F-6B. Самолет Р-51А стал последним «Мустангом» с двигателем Allison. Пять машин серии Р-51А-10 передали в AAFSAT в Орландо, штат Флорида, где их использовали для сравнительных испытаний. В испытаниях участвовали американские истребители других типов: P-38G, P-39N, Р-40М и Р-47С. Итоговые оценки были оптимистичны. На высоте 6700 м Р-51А превзошел всех своих конкурентов. Особенно заметно самолет превосходил других истребителей в скороподъемности, разгоне и скорости горизонтального полета. Необычайно высокой была у истребителя и скорость пикирования. Среди немногочисленных недостатков отметили плохой обзор из кабины, довольно слабое вооружение и неэргономичную кабину пилота. Взлет и посадку охарактеризовали как простые, пробег был меньше, чем у других истребителей — всего 510 метров. Пилоты, летавшие на Р-51А, определили его летные качества как отличные, устойчивость к сваливанию в штопор как хорошую, самолет легко выполнял фигуры высшего пилотажа. На высоте 5500 м самолет развивал максимальную скорость 659 км/ч при форсированном двигателе. Высоту 6700 м самолет набирал за десять минут. Радиус действия составлял 338 км (45-минутный полет к цели, 15-минутный бой при форсированном двигателе, дорога домой).
Выпуск «Мустангов» с двигателем Allison полностью прекратили в мае 1943 года, изготовив 1581 машину. Третий Р-51А (43-6005) оснастили лыжным шасси фирмы Luscombe Engineering Со. и испытывали на Аляске. Лыжи незначительно ухудшали маневренность самолета и приводили к падению максимальной скорости на 16…40 км/ ч в зависимости от высоты. Однако до использования лыж в боевых частях дело не дошло.
30 апреля Ронии Харкер — летчик-испытатель фирмы Rolls-Royce — провел ознакомительный полет на «Мустанге». По мнению Харкера, резкое падение характеристик самолета на больших высотах связано только с использованием двигателя Allison. Харкер предложил установить на «Мустанге» новейший роллсройсовский двигатель — Merlin 61 с двухступенчатым наддувом. Этот двигатель предназначался для истребителей «Spitfire Mk IX». Мнение Харкера поддержало руководство фирмы, и 3 июня 1942 года было принято решение поставить двигатель Merlin на экспериментальный самолет.
Теоретические расчеты показали, что «Мустанг» с двигателем Merlin 61 разовьет максимальную скорость 695 км/ч на высоте 7772 м, а с двигателем Merlin XX — 632 км/ч на высоте 5700 м. Rolls-Royce заключил контракт на переделку трех (с возможностью довести это число до пяти) самолетов и оснащение их двигателями Merlin 65 (модификация двигателя Merlin 61, отличавшаяся доработанным наддувом и карбюратором).
Официально переделанный самолет получил обозначение «Mustang X». Первый переделанный самолет (AL 975) поднялся в воздух 13 октября 1942 года. Второй (AM 208) последовал 13 ноября. Характерной чертой «Мустанга X» был воздухозаборник, расположенный под двигателем. В отверстии воздухозаборника виднелся многоступенчатый радиатор турбонаддува. Пока три истребителя переделывали на заводе Rolls-Royce в Хакнелле, фирма вела переговоры с американцами, стараясь их заинтересовать новой машиной. Горячим поклонником идеи стал майор Томас Хичкок, американский военный атташе в Лондоне. Вариант казался тем более возможным, что фирма Packard организовала лицензионный выпуск двигателей Merlin XX для Канады, где их устанавливали на бомбардировщики Avro «Lancaster». Наконец, 31 июля 1942 года USAAF подписал с фирмой North American контракт на установку двигателей Merlin на двух «Мустангах». Модификация получила заводское обозначение NA-101 и армейское обозначение ХР-78, вскоре смененное на ХР-51В. 13 августа две машины (41-37352 и 41-37421) исключили из планов ленд-лиза и подготовили для установки новых двигателей. На машины установили моторы с двухступенчатым двухскоростным турбонаддувом. В соответствии с американской номенклатурой двигателей моторы получили обозначение Packard V-1650-3.
Облет первого «Мустанга X» провели 13 октября 1942 года. За штурвалом самолета сидел капитан Р.Т Шепард. На самолете стоял двигатель Merlin 65 с четырехлопастным винтом Rotol, позаимствованным у истребителя «Spitfire IX». Всего переделали пять самолетов, установив на них все модификации двигателя Merlin, в том числе высотные 70 и 71. В конце 1942 года на втором прототипе «Мустанга X» удалось достичь следующих результатов: максимальная скорость 697 км/ч на высоте 6700 м, 653 км/ч на высоте 3050 м, максимальная скороподъемность 18,08 м/с на высоте 2286. При этом масса самолета составляла 4131 кг. Для сравнения, тот же самолет с двигателем Allison развивал, соответственно, 565 км/ч, 563 км/ч, 10,16 м/с на высоте 3353 м, при массе 3913 кг.
Первоначальный план предусматривал произвести на заводах Rolls-Royce 500 двигателей Merlin 65 для RAF, с целью установить эти моторы на «Мустанги». Однако английская авиапромышленность сама остро нуждалась в этих двигателях. Поэтому планы изменили и «Мустанги» было решено оснастить лицензионными двигателями Packard. Это повлекло необходимость изменить конструкцию воздухозаборника карбюратора, водяного радиатора под фюзеляжем. Кроме того, в хвостовой части самолета пришлось закрепить балласт массой 28 кг, чтобы уравновесить Четырехлопастной винт фирмы Hamilton. Все эти изменения заметно отличают самолеты Р-51В от машин прежних модификаций. Можно добавить, что Четырехлопастной винт Hamilton уже 18 августа испытывали на самолете AL 958, оснащенного еще двигателем Allison, поскольку в первом доставленном V-1650-3 обнаружился брак, а второй мотор доставили только 18 ноября 1942 года. Двигатель развивал стартовую мощность 1380 л.с., а также боевую мощность 1595 и 1295 л.с. на высотах 5185 и 8784 м, соответственно.
Первый ХР-51В был готов к летным испытаниям 30 ноября 1942 года. Самолет облетал летчик-испытатель Боб Чилтон. Инженеры фирмы North American решили проблему монтажа двигателя V-1650-3 иначе, чем их коллеги из Rolls-Royce. Их решение оказалось лучше, что сделало характеристики Р-51В лучше, чем характеристики «Мустанга X». Эдгар Шмюд позднее рассказывал такой случай, произошедший в ходе летных испытаний: «Пока шли испытания прототипа, была уже готова первая серия из пятидесяти Р-51В. Во время первого полета, уже через 15 минут летчик-испытатель доложил на землю по радио о перегреве двигателя. Когда самолет приземлился, выяснилось, что радиатор машины насквозь коррозировал! Оказалось, что каналы системы охлаждения на двигателях Merlin покрыты слоем меди, который образовал с алюминиевыми стенками радиатора электрохимическую пару. Скорость химической реакции росла вместе с температурой охлаждающей жидкости. В результате ХР-51В практически вышел из строя, а на сборочной линии в стадии окончательной сборки находилось еще 50 машин. Мы обратились за помощью в Бюро стандартизации в Вашингтоне. Несмотря на то, что была пятница, ответ из Вашингтона поступил уже в понедельник. Было предложено покрыть внутреннюю поверхность алюминиевого радиатора лаком Keg-Liner, обычно использовавшемся для покрытия пивных банок! Этим способом удалось спасти первые 50 машин, а в дальнейшем конструкцию радиатора изменили (конструктор радиатора Билл Уилер), применив на нем специальный ингибитор коррозии. Ингибитор, известный под названием МВТ был предложен фирмой Union Carbide». Летные испытания завершились 4 декабря 1942 года. Второй прототип поднялся в воздух 2 ноября 1943 года, а первую серийную машину Р-51В-1 (43-12093) облетали 5 мая 1943 года.
Серийные самолеты (заводское обозначение NA-102) получили Четырехлопастной винт Hamilton Standard диаметром 3,40 м, и вооружались четырьмя 12,7-мм пулеметами. Предусматривалась возможность установить вместо пулеметов 20-мм пушки, однако возможностью не воспользовались из-за трудностей со снабжением. «Мустанги» были оборудованы подкрыльевыми узлами для внешней подвески авиабомб общей массой 453 кг.
Контракт на поставку 400 серийных машин Р-51В-1 подписали 28 декабря 1942 года. Одновременно, изменили старый контракт на поставку Р-51 А, заказав вместо остальной серии 800 машин P-51B-5NA и 90 Р-51В-10NA. Эти самолеты имели заводское обозначение NA-104. Чтобы выполнить большой заказ на самолеты Р-51В, фирма North American открыла новый сборочный цех в Далласе, штат Техас. Выпускавшиеся там самолеты обозначались как P-51C-NT (заводское обозначение NA-103). От машин Р-51В эти самолеты отличались незначительными деталями. Контракт на поставку первых 1000 данных машин подписали 28 декабря 1942 года. Первый серийный Р-51С поднялся в воздух 5 августа 1943 года.
Самолеты Р-51В имели очень хорошие характеристики. В январе 1944 года провели испытания серийной машины. При массе 3841 кг самолет развивал максимальную скорость 729 км/ ч на высоте 8778 м, максимальная скороподъемность на высоте 3901 м составляла 19,8 м/с, высоту 6100 самолет набирал за 5,5 мин, практический потолок достигал 13472 м. Три Р-51В-1 передали в экспериментальный центр на аэродроме Эглинфилд с целью определить тактические характеристики самолета. В сравнительных испытаниях также участвовали самолеты P-38J-5, P-39N, P-40N-1 и P-47D-10. В итоговом отчете утверждалось, что ни один из самолетов не имел столь высоких летных качеств, как Р-51В. Преимущество «Мустанга» становилось подавляющим на высотах более 7600 м. Самолеты Р-51В также превосходили всех своих конкурентов в скорости пикирования. Аналогичные результаты получили и англичане из AFDU, которые начали 26 декабря 1943 года испытания нового «Мустанга». Самолет был быстрее, чем «Спитфайр IX» на 30–50 км/ч на всех высотах. Кроме того, «Мустанг» имел больший на 50–75 % радиус действия. Из-за большей нагрузки на крыло «Мустанг» уступал «Спитфайру» в маневренности и скороподъемности. «Мустанг» превосходил «Мессершмитт Bf 109G» по скорости и маневренности на всех высотах. На высотах до 3000 метров Bf 109G превосходил «Мустанг» в скороподъемности, а на высотах более 7600 м преимущество в этой характеристике было на стороне «Мустанга». Более грозным противником был «Фокке-Вульф Fw 190», который лишь немного уступал «Мустангу» в скорости, но заметно превосходил американский истребитель в маневренности.