311 战斗轰炸机大队的 P-51A，挂载 3 联装“巴祖卡”火箭筒和两枚 500 磅炸弹
P-51B/C
1942 年 4 月 30 日，英国罗尔斯-罗伊斯（Rolls-Royce）发动机公司的一名试飞员，罗纳德.W.哈克（Ronald W. Harker），在杜克斯福特航空基地驾驶 RAF 的野马做了短暂飞行。与许多飞行员一样，他也对野马留下深刻的印象。在相近的动力输出下野马比喷火 VB 快了 48.27km/h，航程几乎超过一倍。他想到如果给这种飞机安装上罗尔斯-罗伊斯刚投产的梅林（Merlin，又译灰背隼）60 系列发动机的话，性能将会有巨大提升。梅林 60 原是为高空增压型惠林顿（Wellington）VI 轰炸机发展的，在惠林顿 VI 轰炸机下马后成为了喷火 VIII 的动力装置。
罗尔斯-罗伊斯的管理层对此设想很感兴趣立即付诸实施。他们向 RAF 借了三架野马进行梅林发动机的改装研究，罗尔斯-罗伊斯研究了多种型号梅林发动机的改装可行性，包括单级增压的 MkXX 和二级增压的 Mk61，而后者因高空性能更好而被选中。梅林 61 发动机的曲轴带动两个堆叠的增压涡轮，空气在经过两级增压后温度上升到 200 度，为了降温并增加进入燃烧室的空气密度，在增压器与发动机之间增加中冷器冷却。在经过了诸多的布局研究后，决定在机鼻下安装中冷器散热器，与上吸式化油器公用冲压进气管。
这一项改装于 1942 年 8 月 12 日经过 RAF 批准，一开始有三架野马参与改装，后增加两架，序列号为 AM121，AM208，AL975，AM203 和 AL963。这些飞机具有临时型号野马 X。野马 X 中没有两架完全一模一样，但都安装了四叶螺旋桨以利用增加的发动机动力，发动机都是梅林 65，与艾利森 V-1710 相比，在 6,096m（20,000ft）高度输出功率增加 205hp，7,620m（25,000ft）则增加了 490hp。第一架野马 X（AL975）于 1942 年 10 月 12 日首飞，飞行员 R.T.谢泼德（R. T. Shepherd）上尉，一开始使用喷火 IX 的罗陀（Rotol）螺旋桨，后更换为特别设计的大直径螺旋桨。AL963 在 1942 年 11 月 13 日首飞，接下来的 12 月 13 日 AM121 升空。AM121 前往杜克斯福特的空战发展单位进行服役评估，第 4 第 5 架则交给 USAAF 测试，并绘上了美军机徽。这些野马 X 在战争的余下时间内都忙于测试梅林发动机的不同后继型号。
野马 X AM208
野马 X 性能有很大提高，在伯斯康姆顿的测试跑出了 696.70km/h（6,705.60m）的速度。但是由于机鼻截面积增加，偏航稳定性下降。测试的成功使罗尔斯-罗伊斯计划生产 500 个梅林 65 发动机将 RAF 的大部分野马升级成 X 标准，但没有成为现实。
罗尔斯-罗伊斯曾考虑过的奇怪设想之一是将 2,400hp 的格里芬（Griffon）63 发动机安装在野马的机身中部，布局类似 P-39 飞蛇，通过延伸轴驱动一幅逆时针旋转的螺旋桨。座舱前移到机翼前缘位置。预计速度可高达 804.50km/h。为此罗尔斯-罗伊斯精心准备了一个实体模型，但未被采纳。
罗尔斯-罗伊斯的格里芬野马（模型）
1942 年 5 月，罗尔斯-罗伊斯告知驻伦敦的美国陆军武官汤姆斯.希区考克（Thomas Hitchcock）少校，他们计划为野马换装梅林发动机。希区考克少校对此很关注，并将消息转达给赖特机场和北美航空。这个消息立即引起了美国人的兴趣，当时密歇根州底特律（Detroit）的帕卡德（Packard）汽车公司正在进行按许可证生产二级增压新型梅林发动机的谈判。1942 年 7 月 25 日，北美获准将两架野马进行梅林 65 发动机的改装，考虑到这些飞机将有很大的改变，型号改为 XP-78。
北美航空选择了两架 P-51，序列号是 41-37350 和 41-37421。北美航空给予该项目公司型号 NA-101。当改装工作正在进行时，军方又将飞机型号改为 XP-51B。虽然罗尔斯-罗伊斯先前的改装工作为北美航空工程师提供了有价值的借鉴，但英国的这家发动机公司并没有直接参与改装工作。
P-51 的梅林发动机安装方式
北美航空的工程师将化油器进气管从上方移到机鼻下方以适应梅林的上吸式进气系统，并将中冷散热器集成到后机身散热器组中，而不是英国改装时安装在机鼻。散热器进气口为固定式，并不能像以前一样可以调节，进气口上缘距离机身下表面超过 5cm。以前野马的散热器组为一体式，发动机冷却液散热器为环形，内嵌油冷散热器，现在油冷散热器独立出来放置在散热器进气道的前方，并有自己的放气门。油冷散热器后的进气道扩得很大，安放巨大的发动机和中冷器冷却液散热器，后方是大尺寸的排气门，这样野马机腹下的鼓包增大了不少。机身经过加强，并换装了新型四叶汉密尔顿标准（Hamilton Standard）液压控制宽弦螺旋桨以完全利用增加的动力。机翼配备了新的副翼，加强了机翼挂架，可以挂载两枚 453.62kg（1,000lb）炸弹或相等重量的副油箱，或 3 联火箭发射筒。机身内不再安装军械，在机翼中安装 4 挺 12.7mm 机枪。
P-51B 原型机，安装了梅林发动机
1942 年 8 月，基于北美航空对性能的估计，陆军在原型机试飞前就订购了 400 架 P-51B。1942 年 11 月 30 日首架 XP-51B 由鲍勃.契尔顿（Bob Chilton）驾驶升空。这架一开始没有安装军械，试飞结果显示性能的提高简直令人吃惊。XP-51B 在 9,083.04m 的高空达到最大 709.57km/h 的平飞速度，比同高度时艾利森动力的 P-51 快了 160.90km/h。在所有高度的爬升率也接近原先的两倍。
首架 P-51B 生产型，从 P-51B 开始换装了 4 叶螺旋桨
刚出厂的两架崭新 P-51B，从 P-51B 开始采用固定的散热进气口