USAF F-4E
另一方面在导弹万能的错误导向之下，F-4 没有安装传统的机炮，缺乏最后的攻击手段。日后的越南空战中 F-4 在遭遇北越的米格-17 和米格-19 后就显得一筹莫展。这些都促使美国海军开始寻求新一代的舰载战斗机，而同时美国空军也开始考虑 F-105 的后继机种，于是国防部长麦克纳马拉（Robert McNamara）将海空军的需求合二为一。两军种的新机计划被称为 TFX（实验性战术战斗机——Tactical Fighter Experimental），并被赋予编号 F-111。F-111 主要有两种型别，通用动力（General Dynamics）负责研制空军型 F-111A，格鲁曼公司作为通用动力的子承包商负责研制海军型 F-111B。但是两军种之间性能需求差异太大，格鲁曼的 F-111B 很快遇到结构超重问题，当其最大弹射起飞重量达到 35 吨时（上限 28 吨），格鲁曼知道海军将不会接受这架飞机了。（飞行员和测试人员也不喜欢这种笨重的舰载战斗机，称之为海猪——Sea Pig）。1965 年 5 月，美国国会终止了 F-111B 计划，F-111A 则继续发展成空军的重型攻击机。
夭折的 F-111B“海猪”
F-111B 项目夭折后，格鲁曼自费进行替代方案的前期研究。经过研究 6,000 种以上的设计方案后，303 方案脱颖而出。303 方案继承了 F-111B 的一些特点，包括可变后掠翼、休斯（Hughes，现并入雷声 Raytheon 公司）的 AWG-9 雷达火控系统和 AIM-54 不死鸟（Phoenix）导弹以及普惠（Pratt&Whitney）TF30-P-1 涡扇发动机。格鲁曼的前期研究并没有白做，经历过 F-111B 的失败后，美国海军认识到只有通过单独招标才能获得符合需要的防空战斗机。1967 年 7 月，美国海军向各大公司发出了 VFX（VF-VESSEL FIGHTER-舰载战斗机）的招标。1968 年 2 月格鲁曼公司的 303 E 方案中标并获得制造 6 架原型机/预生产型的合同，新机军用编号是 F-14。
部分 303 方案的设计
沃特（Vought）公司为竞争 VFX 而提出的模型，机腹下挂载两枚 AIM-54 导弹
北美（North American）的方案
303 方案的第一个构型是 303-60，具有发动机-进气道短舱和高置的可变翼。随后又提出了 7 种不同的构型，其中 303C 超音速作战升限较低；303D 纵向稳定性不足；303F 是唯一的固定翼设计，但为获得和可变翼相同的起降升力，翼面积大幅增加，重量也随之增加；303G 是简化减重设计，不能发射 AIM-54，但航程/机动性能却增加有限；最中选的是 303E 构型。
格鲁曼的 303B 构型木模，单垂尾，双折叠腹鳍
1969 年 3 月，303E 作了一次重大的更动。虽然 303E 原先采用的单垂尾和两片可向外折叠的腹鳍在风洞实验中证明能提供足够的方向安定性，但来自海军的意见则是由于 303E 发动机间隔较远，一但一台发动机熄火，单垂尾很难保持航向。因此格鲁曼最后采用双垂尾设计，并且考虑到航母甲板的可操作性而采用两片较小的固定式腹鳍，F-14 的气动外形最终确定下来。
艺术家笔下的 303E 构型，已经采用了双垂尾设计
在 F-14 的早期发展中，美国海军的两位将军托马斯.摩尔（Thomas Moorer）海军上将和托马斯.康纳利（Thomas F. Connolly）海军中将是该计划的坚定的支持者。有人为了讨好这两位海军中的决策人物，从两位将军的托马斯中提取“TOM”加上格鲁曼传统的猫科动物“CAT”构成“TOMCAT”作为新机绰号，其他人也确实觉得两位将军当之无愧，所以 F-14 便有了“雄猫”的响亮绰号。（感谢 Shornet 提供）
Admiral Thomas Moorer
VAdm. Thomas F. Connolly
格鲁曼先期制造的 6 架 F-14 原型机/预生产型海军序列号（BuNo）从 157980~157985，在获得合同 21 个月之后，1970 年 12 月 21 日首架原型机 XF-14A（BuNo 157980）进行了首次飞行。首次飞行短暂而顺利，但是在第二次飞行中，由于主液压系统与第二套备用液压系统同时故障，飞机坠毁在跑道尽头，两名飞行员弹射逃生。在首架原型机损失后，美国海军又追加了 6 架预生产型飞机，序列号从 157986~157991。这样格鲁曼公司共生产了 12 架原型/预生产型 F-14A，其中第 12 架（BuNo 157991）替代坠毁的 XF-14A 继续进行测试，后来改成 F-14 单座高速研究机，后又在 NASA 进行过大迎角飞行研究和尾旋改出研究。第 10 架在马里兰州做飞行表演练习中坠毁。
坠毁前的 XF-14A（BuNo 157980），可以看到尾部正在释放燃油。注意翼套整流板与后期型也不相同
F-14A 原型机安装了两具最大加力推力 9,480 千克的普惠 TF30-P-12 涡扇发动机，在机翼最大后掠 68 度时，最大速度 2.4 马赫。原型机机长 18.89 米，机高 4.88 米，机翼最小后掠时翼展 19.54 米，最大后掠时 11.65 米。在地面机翼最大后掠可以达到 75 度，翼展减小至 10.15 米，与平尾翼展（9.97 米）差不多，节省甲板占用面积。原型机空重 18 吨，最大弹射起飞重量 32.6 吨。
正在舰上测试的 F-14 预生产型机，机鼻下安装红外搜索吊舱
猫之利爪
F-14 的机头微微下倾，有利于飞行员的视界。座舱前后纵列布置，飞行员在前，雷达截获官（RIO-Radar Intercept Officer）在后，机背以小角度向后延伸，然后再和主机身平行融合。机身两侧进气，采用当时流行的斜切矩形进气口二元进气道以提高大迎角性能。从侧面看，F-14 的机身好像是一个拉直了的 S 字，再加上独特的翼套与可后掠变翼构成了其主要外形。