2014年11月3日，加利福尼亚外海，明丽的阳光下，“尼米兹”号航母在风平浪静的太平洋上懒洋洋地漂浮着，往日繁忙的甲板上空空荡荡的。12点18分，在喷气发动机的嘶吼和钢铁的撞击声中，美国海军试飞中队（番号VX-23）所属的编号CF-03号的F-35C成功地降落。飞机先作了一个低空通场，然后在甲板上试验了着舰复飞，最后才在一架F/A-18F双座战斗机的保驾下，稳稳当当地降落了下来，尾钩干净利索地挂上了第三道拦阻索。“尼米兹”号上有4道拦阻索，但第二道和第三道拦阻索之间是最优触地点。一小时后，同属VX-23的CF-05号也成功地降落在“尼米兹”号上。接下来的两个星期里，这两架F-35C将进行更多的海上试飞，主要测试起飞、着陆和甲板运作，要包括各种侧风、甲板风的情况。这一阶段的试飞基本上在白天进行，2015年9月将开始第二阶段海上试飞，将包括夜间起落和初步武器系统测试，还要测试在最大推力下从舰首和中部的蒸汽弹射器的弹射起飞。第三阶段海上试飞将在2016年3、4月进行，现定达到初始作战状态的时间为2018年8月。
F-35C在经历了陆上着陆试验失败后，修改尾钩设计，终于在尼米兹号上成功降落
F-35C CF-05着舰瞬间，尾钩即将勾住拦阻索
与基本型相比，F-35C的机翼明显加大，后缘为此有一个切角，避免与平尾冲突
在多灾多难的F-35家族中，舰载型F-35C是最晚研制、最晚首飞的，进度也是最晚。这倒不是F-35C特别多灾多难，原计划就是如此。美国海军陆战队的AV-8B“鹞”式垂直起落战斗机已经老旧，急需F-35B接替，所以F-35B应该首先达到初始作战状态。美国空军的F-35A是外销主力，在结构和系统方面也相对简单，没有F-35B那样的滑跃起飞、垂直降落要求，又没有F-35C的上舰要求，所以进度第二。美国海军的F-35C排在第三。
与基本型F-35A相比，上舰改装使翼展从10.7米增加到13.1米，翼面积从42.7平方米增加到62.1平方米，机内载油从8390公斤增加到8900公斤，最大起飞重量不变，还是31800公斤，航程从2220公里增加到2520公里，推重比从0.87降低到0.75。翼面积增大改善了低空低速机动性，有利于降低航母上起飞、着陆速度和可控性，也增加了机内载油量；起落架大大加强，适合航母上的高下沉率着舰；增加的尾钩则在着舰时挂上拦阻索，极大地缩短了着陆滑跑距离。这些上舰改装都增加空重，加上增加的机内载油量但没有增加的最大起飞重量，F-35C的武器挂载能力有所下降。外观上，F-35C的机翼明显更大，翼根后缘与平尾前缘重叠，所以翼根后缘像F-22一样有一个切角，以避开平尾。另一外观特征就是粗壮的尾钩，但这尾钩曾给早期试飞带来巨大的困扰。
在早期陆上试飞中，F-35C的尾钩出现着陆滑跑时挂不上拦阻索的严重问题，在莱克赫斯特海航基地试验时，8次挂钩企图全部失败。问题出在：1、主起落架到尾钩接地点距离太短；2、尾钩形状不利于挂上；3、压住尾钩的机构阻尼不足，使得尾钩容易被地面或者甲板的表面不平而弹起。
洛克希德从来没有设计过舰载飞机（S-3“北欧海盗”的起落架和尾钩是请沃特公司设计的），难说这是不是尾钩设计出问题的原因。理想舰载战斗机的主起落架和尾钩接地点之间应该保持较大距离，这样主起落架机轮滚过后，拦阻索有时间回位腾空，便于尾钩挂上。在典型舰载战斗机主起落架到尾钩接地点的距离中，F/A-18E为5.7米，F-14D为6.7米，教练机T-45为4.45米，就连纵长相对较短的无人机X-47B都有3.1米，但F-35C只有2.2米。距离太短使得F-35C主机轮着地后，尾钩的角度不利于挂上拦阻索，进一步恶化了问题。
F-35C的尾钩接地点与起落架之间的距离较短
与其他舰载机的横向对比，F-35C是最短的
F-35C的尾钩形状本来是借用F/A-18E的，F/A-18E的主起落架到尾钩接地点的距离比F-35C长150%，没有机轮把拦阻索压到地上来不及弹回的问题，所以F/A-18E的尾钩前缘较钝，还略带像大头皮鞋一样的倒钩，确保挂上拦阻索后不会脱落。但同样的形状用于F-35C就悲剧了，钝头把拦阻索推着走，不容易挂上。设计团队在修改中，把尾钩改为较尖锐的锲形挂钩，但这样的形状容易挂上，也容易脱落，需要特别小心地调教阻尼，在弹跳次数和弹跳幅度之间最优妥协，避免尾钩弹跳或者拦阻索张力不均匀时造成脱钩。
F-35C的尾钩组件
F-35C的尾钩形状
机轮碾过后，尾钩无法钩住紧贴甲板的拦阻索
红线轮廓就是修改后的设计
F-35C的着舰接近下滑航迹也一反常规。舰载战斗机着舰是沿着笔直的斜线直接降落到航母甲板上的，没有陆基战斗机在最后接地前的改平飘飞然后接地动作。所以通常做法是襟翼放下到固定位置，相当于设定了大体固定的下沉率，然后调节发动机推力来控制前后位移，把飞机控制在预设的下滑线上，直到接地。下沉率对航母上着舰非常重要，下沉率过高，起落架受不了；下沉率过低，前进速度过大，拦阻索和尾钩受不了。预设襟翼位置可以把飞机控制在最优下沉率，但推力改变会使机身俯仰角度有所改变，在通场情况下，这不是问题，但F-35C令人不放心的尾钩使得这样的传统着舰方法不再适合。所以，F-35C反过来，把发动机推力设定在固定位置，相当于设定了大体固定的下滑速度，同时设定了大体固定的机身俯仰角度，然后用收放襟翼来调节升力，控制飞机的垂直位移，把飞机控制在预设的下滑线上。这个方法更多用于陆地上的跑道着陆，可以在机尾不蹭地的情况下以最大仰角接地，使得着陆速度最低，着陆滑跑距离最短。但对于F-35C来说，着陆滑跑距离不是最大的问题，反正有拦阻索，但用最优角度接地，确保尾钩挂上拦阻索，这才是第一要务。
F-35C用改进的尾钩在陆地上的初始试验中，8次试验成功5次。经过更多的精细修改后，终于到了可以上舰试验的程度，而且一次成功。“尼米兹”号上的第一次着舰试验是在风平浪静的情况下进行的，这也是由美国海军最精锐的试飞员做到的，要到普通飞行员在浪急风高的情况下也能达到很高的成功率，才算真正成功。这有待后续试验。