C 型机鼻下的 AAA-4 红外搜索跟踪系统被取消，柯林斯小型化的 ASQ-19 通讯、导航、识别装置成为标准配备。C 型上的 ASN-48 惯导升级成更轻的 ASN-63。D 型装有 AJB-7 全高度投弹系统，它与 ASQ-91 武器投放计算机相连用于投放激光制导炸弹。
F-4D 保留了 C 型使用 AIM-7“麻雀”的能力，但为了发射休斯 AIM-4D“猎鹰”红外导弹，D 型取消了机翼内侧挂架发射“响尾蛇”导弹的能力。AIM-4D（原名 GAR-2B）“猎鹰”发射重量 134 磅，最大有效射程 6 英里。
从第 27 批次开始机鼻下的整流包再次出现，不过里面不再是红外装置，而是 ALR-25/26 雷达告警系统的天线和放大器。后来这套系统被 APS-107A 和 ALR-69(V)2 取代。
F-4D 外挂的干扰器包括 ALQ-87 调频阻塞式干扰吊舱，西屋公司的 ALQ-101 噪音/欺骗式干扰吊舱，可覆盖三个波段的西屋 ALQ-119 噪音/欺骗式干扰 吊舱。中线挂架可以挂一个多重弹射挂架，内侧机翼挂架也可以挂 3 重挂架。
F-4D 后座的武器系统官有一台显示器可以观看 GBU-8 或者 GBU-15 电视导引头传送的图像。
F-4C 依靠老式的地图式轰炸系统，几乎不可能实施精确轰炸。F-4D 则依靠电子系统提高轰炸精度。其中的关键是 AN/ASQ-91 轰炸计算机。这套系统收集飞机的各种参数，例如速度、高度、爬升率等，并和目标距离结合起来运算，确定炸弹投放的时间。F-4D 还装有带放大器和陀螺仪的 AN/ASG-22 前置计算光学瞄准器，自带计算机、放大器和陀螺。这套系统是为了提高“鬼怪”的空战效率。它能够把速度、大气密度、 迎角和敌机的速度、距离、方位综合运算，将“鬼怪”导向最佳的拦截位置。
从1967年春天开始 F-4D 逐渐取代了 F-4C 的位置。由 Robin Olds 中校带领的第 8 联队先进入越南。F-4D 第一次击落敌机是在 1967 年 6 月 5 日，由 Everett T. Raspberry 少校和 Francis Gullick 上尉机组在河内附近获得该战果。F-4D 击落了 45 架敌机，在 1972 年“后卫”战役期间有 3 个空军的越战王牌在 F-4D 上获得关键的第五个战果。432 联队 Steve Ritchie 上尉 1972 年 8 月 18 日驾驶 F-4D 获得第5个战果。
不过“猎鹰”导弹在战场上的表现不佳，在 1967 年 10 月 26 日到 1968 年 2 月 5 日期间只击落 4 架米格-17 和一架米格-21。“猎鹰”明显不是称职的格斗导弹，它原本是为了拦截 1950 年代的轰炸机而设计的，其设计上的先天缺陷使得它在格斗中机动性不够。四个三角翼后方的舵面无法使导弹迅速转向来跟踪战斗机目标。猎鹰性能不够稳定，需要精心的保管和维护，在发射时容易造成载机发动机熄火。不过最大的问题还是“猎鹰”的反应速度，在按下发射按钮后要 6-7 秒导弹才能真正点火发射，这在近距格斗中简直像一辈子那么漫长。这些时间消耗在以下步骤。由于导弹内部系统和气动控制面要依靠内置的涡轮交流发电机和液压系统驱动，这些系统自身的启动就需要几秒钟。然后导弹要从飞机获得发射的初始数据，这个传输过程也得要几秒钟。 如果你的导弹成功发射了，先别高兴。因为没有近炸引信，“猎鹰”必须直接命中目标才能爆炸 。“猎鹰”的4片弹翼前缘是玻璃纤维结构，导弹击中目标后，战斗部钻入目标体内，玻璃纤维前缘破碎触发引信引爆战斗部。不过就算直接命中也不一定能击落敌机，因为战斗部威力太小，只有 4 磅重。
结果就是飞行员对“猎鹰”恶评如潮，而发射“响尾蛇”的能力也被急速恢复。不过公平的说，所有的早期空空导弹的表现都不好，给自己人造成的麻烦比给敌人的还多。
在越南的实战中“鬼怪”没有原装机炮成了一大缺点。F-4D 可以携带 SUU-23 机炮吊舱（内装 M61A1“火神”），但是阻力太大造成性能下降，而且射击精度不够。此外由于机炮只能装在中心挂架，影响了其他武器的挂载。
某些 F-4D 安装了西屋公司的 AN/ASQ-152(V)-2“铺路钉”（Pave Spike）激光目标指示吊舱。圆柱形的吊舱就装在麻雀导弹的凹槽里，由于使用电视光学镜头，它只能在白天使用。装有“铺路钉”的 F-4D 可以发射 AGM-65“幼畜”导弹，这些飞机包括 66-7509、7531、7546、7634、7661、7722、7746、8819 和 8821。
经过特殊改装的 F-4D 可以在内侧挂架携带 AN/AVQ-10“铺路刀”（Pave Knife）激光目标指示吊舱。“铺路刀”吊舱的 头部是个稳定平台，内装摄像头和激光指示器。摄像头具有微光夜视性能，理论上具备夜战能力，但不确定是否真的运用过。曾经设想吊舱随动于雷达，但是没有成功。这套系统在使用时必须使指示器的指向和飞行员的光学轰炸瞄准器一致，而后武器官在监视器上搜索目标 ，并指示飞行员对准目标。安装“铺路刀”的有 66-7652、7674、7675、7679、7681、7707、7709、7743、7760、7766 和 7773。“铺路刀”投入战斗的时间是 1968 年 5 月 23 日，与 GBU-10/B 激光制导炸弹配套使用。所有“铺路刀”都部署在 8 联队 433 中队。也许“铺路刀”最辉煌的纪录就是 1972 年 5 月 10 日炸毁 河内附近的保罗.杜梅大桥。在此前的上百次轰炸都没能毁掉它。