В ходе серийного выпуска отдельные производственные серии различались между собой некоторыми конструктивными особенностями. Так, уже самолеты Р-51В-1 получили дополнительный бензобак емкостью 332 л, расположенный в фюзеляже. Вместе с подвесными баками это значительно увеличивало радиус действия самолета. Некоторые самолеты серий Р-51 В-1, В-5 и С-1 не получили дополнительного бака, но такой бак всегда можно было установить на самолет силами полевой ремонтной мастерской. Аналогичным образом переоборудовались самолеты серий В-7 и С-3.
Опыт эксплуатации показал необходимость уменьшить емкость бака в фюзеляже до 246 л, поскольку больший бак опасно смещал центр тяжести самолета. Одновременно на штурвале установили груз, который ограничивал резкие движения неопытных пилотов. Начиная с серий Р-51 В-15 и Р-51С-5 на самолеты установили новый двигатель Packard V-1650-7, который был заметно лучше, чем V-1650-3, особенно на малых высотах. В результате самолеты Р-51 получили возможность выступать в роли истребителя сопровождения. К этому времени США располагала десятью воздушными армиями на всех ТВД Второй Мировой войны, в том числе 8-й воздушной армией, совершавшей стратегические бомбардировки территории Рейха. Нехватка истребителей сопровождения вынуждала американцев переоборудовать имеющиеся бомбардировщики В-17 и В-24 в «летающие крейсера». С машин снимали бомбардировочное оборудование, устанавливая вместо него мощное стрелковое вооружение. После того, как в августе 1942 года в налетах поучаствовали двенадцать переоборудованных таким образом самолетов YB-40 (переделанных В-17), выяснилась вся бесперспективность подобного подхода. YB-40, имея слабые пилотажные возможности, проигрывали немецким истребителям и несли даже большие потери, чем обычные стратегические бомбардировщики.
Всего было построено 1988 машин Р-51В, в том числе: 400 P-51B-1NA, 800 P-51B-5-NA, 398 Р-51 В-10-NA, а также 390 P-51B-15-NA. В то же время было выпущено 1750 машин Р-51C, в том числе: 350 P-51C-1NT, 450 P-51C-5NT и 950 P-51C-10NT. По ленд-лизу передали Великобритании 293 самолета Р-51В и 636 Р-51C, где их использовали под обозначением «Mustang III». Всего на «Мустангах III» летало 19 эскадрилий RAF. Первая из них, 19-я эскадрилья RAF достигла боеготовности в феврале 1944 года. Поскольку потребность в Р-51 все возрастала, в июле 1944 года перепрофилировали сборочную линию в Калифорнии, прежде выпускавшую бомбардировщики В-25. Выпуск бомбардировщиков продолжили в Каназас-Сити. Динамика производства самолетов Р-51В выглядела впечатляюще. В июне 1943 года поступили первые 20 истребителей, а в октябре 1944 года месячный выпуск достиг 763 машин. Апогея выпуск Р-51 достиг в январе 1945 года — 857 машин, в том числе 286 Р-51 К, выпущенных на заводе в Далласе.
По заказу USAAF 71 P-51B-1NA и 20 Р-51 С-1 NT были оснащены фотокамерами, став, таким образом, тактическими разведчиками. Переделанные машины стали обозначаться F-6B-1NA и F-6C-1NT, соответственно, хотя первоначально их обозначали P-51B-2NA и P-51C-2NT.
Истребители Р-51В и С, благодаря дополнительному бензобаку в фюзеляже, имели дальность полета 1311 км. С двумя же подвесными топливными баками емкостью 284 или 409 л каждый самолет имел дальность полета 1995 или 2317 км. Это было заметно больше, чем у английских истребителей. Поэтому главной задачей истребителей Р-51В и С стало сопровождение союзнических бомбардировщиков. До того времени в этой роли выступали дорогие самолеты Р-47 «Thunderbolt» и Р-38 «Lightning». Боевая карьера машин Р-51В началась в октябре 1943 года, когда 354-я истребительная группа, оснащенная этими «Мустангами» вошла в состав 9-й воздушной армии США, дислоцированной в Англии. Первая английская эскадрилья «Мустангов» — 19-я эскадрилья RAF — была готова к бою в феврале 1944 года. Прежде эта часть летала на «Спитфайрах».
У самолетов Р-51В и Р-51С был недостаток — ограниченный обзор из кабины. Англичане переоборудовали самолеты, заменив зализанный фонарь фонарем каплевидной формы. Эта модификация получила известность под названием «Malcolm Hood». Недостаточный обзор из кабины окончательно устранили у «Мустангов» следующей модификации. 17 ноября 1943 года начались испытания модифицированного Р-51В-1 (43-12102), это была десятая машина серии. У самолета уменьшили высоту хвостовой части фюзеляжа и установили каплевидный фонарь. 1 мая 1943 года подписали контракт на переделку двух самолетов Р-51 В-10 (42-106539 и 42-106540) к стандарту модификации P-51D-1. Кроме нового фонаря самолеты получили усиленное вооружение: шесть 12,7-мм пулеметов, установленных в крыльях. На истребителях стоял тот же двигатель, что на Р-51В и С — Packard V-1650-7. Первый контракт на выпуск 2500 машин P-51D (заводское обозначение NA-109) подписали 21 июля 1943 года. Поставку первой серии из 800 самолетов P-51D-5NA начали в последних числах марта 1944 года. Первые далласские самолеты серии D — P-51D-5NT — поступили в начале июня того же года. Машины попали в 8-ю воздушную армию еще до 6 июня, то есть до начала высадки союзников в Нормандии.
Самолет Р-51D стал самой многочисленной модификацией «Мустанга». Всего на заводе в Инглвуде собрали 6502 машины P-51D, еще 1454 машины собрали в Далласе. Кроме того, в Далласе построили 1337 «Мустангов» Р-51К. От машин типа D, P-51K отличались четырехлопастным винтом Aeroproducts диаметром 3,35 м вместо использовавшегося Hamilton Standard диаметром 3,35 м. Поздние серии Р-51D и все Р-51К получили дополнительный стабилизатор перед килем, чтобы поправить несколько ухудшившуюся после переделки задней части фюзеляжа поперечную устойчивость. Можно было предположить, что минимальные изменения в конструкции самолета не приведут к каким-либо неприятным неожиданностям. Но все вышло иначе. В ходе эксплуатации самолетов Р-51D первых производственных серий было отмечено несколько случаев отрыва концов крыла в пикировании. В одной из таких катастроф погиб давний энтузиаст «Мустангов», полковник Томас Хичкок. Модификация P-51D имела увеличенную скорость пикирования, что в сочетании с недостаточно прочной обшивкой крыла в районе размещения боекомплекта приводило к разрушению конструкции при стремительном пикировании. После того, как обшивку на слабом участке усилили, катастрофы прекратились. Все самолеты, уже находившиеся в частях, также прошли переделку в течение едва ли одной недели.
Ha P-51D-5 установили двигатели V-1650-7 стартовой мощностью 1490 л.с. Двигатель допускал кратковременное форсирование до 1505 л.с. на высоте 6000 м. Емкость внутренних топливных баков составляла 1020 л. Самолеты могли нести под крыльями подвесные баки емкостью 284 или 417 л, или баки емкостью 409 л английского производства. Боекомплект внутренних пулеметов составлял 500 выстрелов на ствол, у четырех остальных пулеметов — 270 выстрелов на ствол. Вместо наружных баков можно было подвесить две 227-кг бомбы. Начиная с серии P-51D-20 «Мустанги» могли нести под крыльями десять неуправляемых ракет калибра 127 мм. Масса пустого самолета составляла 3228 кг, максимальный взлетный вес — 5255 кг.
Максимальная скорость при массе 4575 кг составляла 635 км/ч на уровне моря, 664 км/ч на высоте 4600 м и 703 км/ч на высоте 7625 м. Практический потолок P-51D-5 достигал 12780 м. Радиус действия 523 км без подвесных баков и 1207 км с двумя 409-литровыми баками. Таким образом, самолет мог действовать в любой точке европейского ТВД. Максимальная дальность полета при перебазировании достигала 3700 км. Для этого самолет брал запас топлива объемом 1854 л и летел с экономической скоростью 394 км/ч. С двумя 227-кг бомбами на скорости 582 км/ч самолет пролетал 1528 км. Впечатляла и максимальная скорость пикирования P-51D-5 — 812 км/ч, она была больше чем у любого другого американского истребителя того времени. Для примера, у P-38J-15 «Lightning» скорость пикирования ограничивалась 740 км/ч.
Сравнительные данные выпускавшихся в то время истребителей приведены в таблице.
«Мустанги» имели сравнительно короткий разбег — 763 м. Более тяжелый P-47D-25 требовал взлетной полосы длиной 1037 м. Эту особенность «Мустанга» оригинальным образом использовал Джек Илфри, пилот 94-й истребительной эскадрильи 20-й истребительной группы. 22 ноября 1944 года он приземлился за линией фронта, чтобы подобрать своего однополчанина, лейтенанта Дуэйна Келсо, который совершил вынужденную посадку после того, как его самолет попал под огонь зенитной артиллерии. Илфри подрулил к лежащей машине, вылез на крыло, сбросил парашют, что позволило Келсо сесть ему на колени. Самолет взлетел и вернулся на базу.
Другим преимуществом «Мустанга» над прочими американскими истребителями, была его сравнительно небольшая цена. В 1945 году один P-51D стоил 50985 долларов США, в то время как Р-47 стоил 83000 долларов, а двухмоторный Р-38 тянул на 97147 у.е.
Отдельные производственные серии P-51D/P-51K отличались друг от друга деталями конструкции. Дополнительный стабилизатор перед килем появился на машинах P-51D-10-NA, выпускавшихся с июня 1944 года. Новый прицел К-14 появился на самолетах P-51D-20-NA в октябре 1944 года. Контракт на выпуск 4000 машин Р-51D-20 подписали 7 июня 1944 года. Эта модификация получила заводское обозначение NA-122. С января 1945 года изменилась конструкция рулей. Вместо рулей с матерчатой обшивкой на самолеты установили цельнометаллические рули. Всего выпустили 7996 машин P-51D.
Завершая рассказ о самолетах Р-5ID, следует рассказать о случае их выпуска за пределами Соединенных Штатов. По лицензии Р-51 выпускался только в Австралии. Один P-51D доставили туда в качестве образца, а еще 100 машин прибыло в виде комплектов для сборки. Из комплектов австралийцы собрали 80 машин. Истребители состояли на вооружении ВВС Австралии под названием СА-17 «Mustang XX». На самолетах стояли двигатели V-1650-3. Первая машина австралийской сборки поднялась в воздух 29 апреля 1945 года. Выпуск самолетов завершился после того, как были готовы 40 машин С А-18 Mustang 21 (с двигателем V-1650-7), 14 самолетов Mustang 22 (с фотокамерами F-24, установленными в фюзеляже) и 66 машин Mustang 23 с английскими моторами Merlin 66 и Merlin 70. Планировалось изготовить 300 «Мустангов», но вместо этого было заказано 214 P-51D и 84 Р-51К в США. Ни один из австралийских «Мустангов» не участвовал в боевых действиях.
Как обычно, значительное число самолетов переделывались в тактические разведчики. 136 переделанных машин P-51L получили обозначение F-6D, а 163 переделанных Р-51К — F-6K. Машины выпускались в Далласе с ноября 1944 по август 1945 года.
По ленд-лизу 271 Р-51D и 594 Р-51К передали Великобритании, где их использовали под обозначением «Mustang IV». Чтобы ускорить подготовку пилотов была создана двухместная учебная модификация истребителя TP-51D. Один из TP-51D использовался генералом Эйзенхауэром для инспекции плацдарма в Нормандии 6 июня 1944 года. Эта машина, в отличие от учебных машин, не имела второго комплекта органов управления.
Как уже говорилось, P-51D начали заменять старые модификации «Мустанга» в составе 8-й воздушной армии, дислоцированной в Великобритании. Новые машины начали поступать в июне 1944 года. Машины Р-51К появились в боевых частях в конце 1944 года.
Упомянутые выше модификации «Мустанга» составляли главную линию развития самолета. Но во время выпуска основных модификаций шли работы по созданию новых вариантов самолета, отвечающих специфическим требованиям. Одним из таких ответвлений стало создание на базе Р-51 палубного истребителя. Был построен один прототип, получивший заводское обозначение NA-73. Вооружение самолета сократили до четырех 12,7-мм пулеметов, размещенных в крыльях. Двигатель Allison V-1710-81, как у Р-51А. Самолет получил дополнительное оснащение, необходимое для морских истребителей: крюк аэрофинишера, узел для соединения с катапультой, а также радиостанцию дальнего действия. Несмотря на успешные испытания, самолет в серию не пошел — в ВМФ США не предполагали использовать самолеты, оснащенные рядными двигателями жидкостного охлаждения.
Характерной чертой американских самолетов была большая масса по сравнению с самолетами других стран, в том числе английских. После того, как свернули программу создания нового истребителя необычной схемы, появились средства для работы над облегченным вариантом «Мустанга». Официально программа началась 2 января 1943 года. Самолету присвоили заводское обозначение NA-105. Чтобы лучше ознакомиться с опытом эксплуатации самолетов, Эдгар Шмюд 9 февраля 1943 года на два месяца вылетел в Англию. Одной из целей визита было ознакомиться на заводе Rolls-Royce в Дерби с новым английским двигателем Merlin RM.14.SM, предназначенного специально для Р-51. Посещая авиазаводы и разговаривая с конструкторами, Шмюд ознакомился с английскими нормами конструирования истребителей, выяснив одну из причин малой массы английских истребителей. Американские стандарты были гораздо жестче, что и приводило к перетяжелению истребителей. Например:
Коэффициент перегрузки на разрушение в США равнялся 12, а в Англии 11;
Коэффициент перегрузки на разрушение шасси в США 6, в Англии 4;