F-5F 整个前机身经过重新设计，与 F-5B 明显不同
和典型的双座教练机改型途径不同，F-5F 不是简单地在前机身中加入一个座位，而是完全重新设计前机身，加长 1.2 米。机头保留了 F-5E 的 AN/APG-159 雷达，使得 F-5F 可以保留 F-5E 的全部作战能力，但为此拆掉了 1 门航炮，另 1 门航炮备弹量减至 140 发——需要指出的是，由于在原来标准航炮位置多了一个冲压空气进气口，往往令人误以为 F-5F 仍装备 2 门航炮。为了保持重心尽可能不变，F-5F 在后机身喷口之前增加了配重，以平衡前机身加长增加的重量。
F5F 只配备了一门航炮
除了机身加长外，F-5F 和 F-5 系列所有型别都不同的是，在机翼半翼展处增加了一对翼刀。国内研究曾经提到，由于 F-5F 前机身加长导致大迎角下机头飘摆产生侧滑，使得飞机方向稳定性下降，这对翼刀能够起到一定的改善作用。
F-5F 机翼翼刀
1974 年初，美国空军批准了 F-5F 方案。当年 9 月 25 日，F-5F 原型机（73-0889）由诺斯罗普试飞员迪克•托马斯驾驶，在爱德华兹空军基地成功首飞。1976 年初，两架原型机完成全部试飞科目。
1976 年夏，第一架生产型 F-5F 开始交付。至停产为止，诺斯罗普共生产 140 架。
RF-5E“虎眼”
“虎眼”是 F-5E 的专用侦察型。
该机并非军方项目，而是由诺斯罗普独立投资进行的。按照诺斯罗普最初的想法，F-5E 的侦察型可以直接使用 RF-5A 的侦察型机头（内装 4 台 KS-121A 航空侦察相机）。沙特空军的少数 F-5E 曾经安装过这种侦察机头。不过，随着时间的推移，现代侦察相机体积逐渐增大，原来的侦察型机头已无法提供足够的空间安装新相机，而且这种机头拆装比较麻烦（安装需要 100 人•时，拆卸需要更长的时间）。有鉴于此，诺斯罗普决定自行投资设计一种全新的侦察型机头，长度比 F-5E 标准机头增加 0.20 米，内部容积 0.74 立方米（9 倍于 RF-5A 的机头内部容积），可以容纳现代化的大型航空相机。根据诺斯罗普的预计，采用“虎眼”的主要是 F-5E 的用户中那些经费紧张、无力购置专用侦察机的国家。
为了开发 RF-5E，诺斯罗普专门从美国空军租了一架 F-5E（74-1420）回来，换上新机头（内装 KS-87B 相机）进行试验。1979 年 1 月 29 日，该机由达雷尔•柯耐尔驾驶首次试飞成功。接下来的试飞科目仍在爱德华兹基地进行。完成全部试飞后，74-1420 又换上标准的 F-5E 机头，然后卖给了巴西。
飞行中的 RF-5E（74-1420）
试飞的结果表明，虽然“虎眼”模块化的概念不错，但由于将 F-5E 改装为 RF-5E 需要加强机身结构，费用大大超标（一架“虎眼”的价格是标准 F-5E 的 1.5 倍），从而使得这种模块化改装实际上不可能进行。由于价格原因，再加上其它因素影响，使得诺斯罗普原来预计的 100～150 架“虎眼”市场并未实现，最后只有马来西亚买了 2 架，沙特买了 10 架。新加坡将 8 架 F-5E 改装为 RF-5E。“虎眼”项目最终惨淡收场。
马来西亚空军的 RF-5E
第二节 设计特点
有了 F-5A/B 这个良好的平台作为基础，加上为数众多的用户的使用经验，诺斯罗普在研制 F-5E/F 时相对难度要小得多。其主要改进措施说穿了就八个字：增推减阻，航电升级。结合其它方面的改进，虽然性能远不能和已经渐露头角的第三代战斗机相比，但均衡的性能加上低廉的价格（通过军援计划获得的 F-5E/F 价格更低），使得该机成为采用美制飞机的穷国空军比较理想的机型。
机翼设计
机翼是诺斯罗普改进的重点之一。F-5E 的机翼翼展加大，面积增大到 17.3㎡（不含边条），展弦比也进一步增大到 3.82。为了改善飞机大迎角性能，边条翼进行了优化设计，面积增大到 0.76㎡，占机翼面积的 4.4％，这样可以提供更高的涡升力，推迟机翼失速。
为了提高机动性，F-5E 加装了机动襟翼——该系统实际上是在挪威空军的 NF-5 所装的机动襟翼基础上改进而来。F-5E 放弃了 F-5A 原来的后缘单缝襟翼设计，而选择了简单后缘襟翼设计，虽然起降时增升效率降低，但可以在机动时配合前缘机动襟翼偏转，提高机翼升力。利用 HOTAS 上的控制电门，可以选择将机动襟翼置于 4 个位置之一：全收回位置，机翼翼型恢复为对称翼型，以便降低超音速飞行的阻力；巡航位置，前缘襟翼保持收回状态，后缘襟翼下偏 8°；空战位置，前缘襟翼下偏 12°，后缘襟翼下偏 8°，在速度 965㎞/h 以下的空战状态使用；起飞/着陆位置，前缘襟翼下偏 24°，后缘襟翼下偏 20°，用于起降状态，以改善起降性能，缩短滑跑距离。机动襟翼和边条翼相结合，使得 F-5E 具有更好的大迎角性能，或者在同等阻力下拉到更大的迎角（产生更大升力），或者在同等迎角下阻力更小。
F-5E 前后襟翼处于下偏状态
和 F-5A 相比，F-5E 的海平面爬升率提高了 23％，稳定盘旋角速度提高了 17％，瞬时盘旋角速度提高了 7％——由此来看，机翼和边条的改进，使得 F-5E 机动时诱导阻力下降明显，因此稳定盘旋角速度提高幅度较大，而由于机翼基本设计限制，其最大可用升力系数提高不多。此外，虽然 F-5E 并不特别注重最大速度，但由于发动机推力明显增大，其最大速度也由 F-5A 的 M1.4 提高到 M1.6（翼尖挂“响尾蛇”导弹时为 M1.5）。
F-5E 翼尖响尾蛇挂架
尽管进行了重大改进，但 F-5E 机翼的基本设计仍然是照搬 F-5A 的，翼型仍为经过修形的 NACA05A-004.8，相对厚度 4.8％。1/4 弦线后掠角 24°，只是根梢比增大到 5.26。前缘襟翼面积仍保持 1.14㎡，后缘襟翼略增大为 1.95㎡，副翼面积保持 0.43㎡。平尾和垂尾则没有进行任何设计上的改动，各项参数均与 F-5A 相同。唯一的差别是平尾的偏转范围增大，为＋5°～－20°。这是诺斯罗普针对机翼升力提高，从配平角度所作的改进。但后来的事实证明，这点改进并不足以产生明显的效果。从 F-5A 到 F-5E，纵向俯仰率始终不能令人满意。这个缺陷也成为后来 F-20 的改进重点之一。