P-51B（43-12102）被选为气泡座舱盖的测试机，型号改为 XP-51D
为了适应新的座舱盖，野马的机背必须削平，当然完成这项改装的工作量不是很大，必要的机体结构的应力重新计算也很少。
改装完成的 XP-51D 于 1943 年 11 月 17 日在英格伍德首飞，试飞员鲍勃.契尔顿。为了进一步验证这个概念，北美航空抽出两架英格伍德生产线上的 P-51B-10-NA（序列号 42-106539 和 42-106540），削平机背，并安装气泡座舱盖，公司称为 NA-106，型号改为 P-51D。
P-51B 的缺点之一是只有4挺机枪，火力不足，除此之外，供弹带弯曲角度过大，时常因供弹不畅引发卡壳。北美航空利用生产新型野马的机会来解决这一问题，彻底重新设计了机枪的安装，每侧机翼安装了 3 挺 MG53-2 12.7mm 机枪，机枪水平放置，供弹带得以平顺伸展。内侧机枪每挺带弹 400 发，其余 270 发。当然使用者也可以拆除一挺机枪改为每侧机翼两挺机枪的配置，这样每挺机枪佩弹 400 发，实际上确实有一些飞行员选择了这一配置。
P-51D 的供弹系统有很大改进，排除了卡弹问题
P-51D 的另一项外观改动就是增加了翼根的弦长，机翼前缘的折线更加醒目，而 P-51B 的折线几乎难以分辨。主起落架经过加强以适应增加的重量，机轮保持了 27 寸直径，轮舱和舱门也经过修改。
不要以为所有的 P-51D 都有气泡座舱盖，在 P-51D-5-NA 下线（公司型号 NA-109），之前，已生产出 4 架 B 型座舱盖的 P-51D-1-NA。
P-51D 生产线
P-51B 上由于后机身油箱导致的方向稳定性问题在 P-51D 上更加严重了，这是因为削平了机背，损失了一些等效的垂直安定面。为了增强方向稳定性，从 P-51D 第 10 批次起在垂尾前增加了背鳍。一些较早的 P-51D 以及 P-51B 后来也改装了这个背鳍。背鳍增加的重量和阻力非常小，但在改善方向稳定性方面助益良多，尤其后机身油箱全满时。
P-51D/K 还引入了 K-14 自动陀螺瞄准具，设计基于英国费伦梯（Ferranti）公司的技术。当这个瞄准具最初出现时，被认为是奇迹。飞行员只要将敌机翼展标尺定好，并用瞄准具反射镜上的光环套住敌机，并通过油门杆上的旋钮来调节光环大小与目标翼展一致，只要光环罩住敌机，就可以扣动扳机，而其中的提前量计算统统交给模拟计算机处理。P-51D 几乎一开始就安装了 K-14 瞄准具，P-51K 则在 1944 年中期开始配备。这种瞄准具在 P-51D 不寻常的空战战绩背后扮演了重要角色。
K14 瞄准具，上面的刻度标上常见敌机，即为翼展标尺
英格伍德交付了 6,502 架 P-51D，公司型号分别是 NA-109（D-1 到 D-10），NA-111（D-15 和 D-20）和 NA-122（D-15 和 D-30）。达拉斯生产了 1,600 架 P-51D，其中 D-5 到 D-20 批次是 NA-111，D-25 和 D-30 批次是 NA-124。
P-51D 后期型仪表板
几乎所有的 D-25 批次及以后型号都增加了翼下承力点，不仅可以挂载炸弹、副油箱，也可以安装各种型号的火箭发射架，包括 6 副零长度火箭发射架，在不挂副油箱的情况下，还可以增加到 10 个；或者两具 3 联装“巴祖卡”火箭发射筒。由于外挂能力的增强，部队也可以搞些特殊的外挂配置，例如两个副油箱+6 枚 45.36kg（100lb）炸弹，4 枚 45.36kg 炸弹和 36 枚杀伤弹，或四个 340.95L 的副油箱。部署在中缅印战区的 P-51D 通常在后机身安装有定向环形天线。
P-51D 的发动机安装细节
达拉斯生产的 1,500 架 P-51K 安装了直径 3.35m 的航空产品（Aeroproducts）公司的螺旋桨，而不是 D 型的直径 3.40m 汉密尔顿标准标准螺旋桨。P-51K 的座舱盖经过重新设计，扩大了内部空间。由于改动不大，北美公司内部型号仍是 NA-111。P-51K 的性能略低于 P-51D。从第 10 批次开始，K 型可以挂载火箭发射筒。
P-51K 侧视，注意 P-51K 的座舱盖尾部略微隆起
P-51K 中有 163 架改装为 F-6K 侦察机，英格伍德生产的 P-51D 中，有 126 架第 20、25、30 批次的飞机被改装成 F-6D 侦察机。在战争接近结束时，又有少量 P-51D/K 被改装成侦察机。所有这些侦察机在后机身内置两部照相机，通常是 K-17 和 K-22，一部镜头水平向左，另一部向斜下方拍摄。多数 F-6D/K 在后机身安装有环形定向天线，大多数 F-6D/K 保留了军械。
F-6D 侦察机，注意机身后部的照相窗口
P-51D 44-14017 暂时借给美国海军进行测试是否适合舰载操作，并分配海军航空署序列号 57987。海军发现 P-51D 低速高攻角时时方向舵效率很低，无法适应舰上着陆。
1944 年 11 月，美国海军使用一架 P-51D 进行上舰测试，但是结果不理想。照片中这架 P-51D 安装了着舰钩
艾尔德少尉驾驶这架野马在香格里拉号航母上作了 5 次起降
11 架达拉斯生产的 P-51D 被改装成双座教练机，型号改为 TP-51D。TP-51D 在飞行员座椅后安装第二个座位，为此重新安置了无线电设备，并安装了完整的复式操纵系统。座舱盖后部突起以提供额外的空间。有一架 TP-51D 供盟军最高司令官艾森豪威尔（Eisenhower）调遣，1944 年 6 月他乘坐 TP-51D 视察了诺曼底海滩。
TP-51D
P-51D 自 1944 年 3 月起大量出现在欧洲。原先装备 P-38 的第 55 战斗机大队是第一个换装 P-51D 的单位。从双发的 P-38 转换到单发的 P-51 之初，飞行员很不习惯于机身油箱导致的方向稳定性问题，但是一旦飞行员在最初的几个月中适应过来之后，他们就会发现 P-51D 与德国所有的活塞战斗机相比，在 6,096m（20,000ft）高度以上无论是速度还是机动性都占显著优势。而德国飞行员则认为野马在机炮的攻击下很脆弱，液冷的梅林发动机在一击之下就可能熄火。