D 型导弹重新设计了光学系统，导引头采用小型化位标器，整流罩材料也由原来的石英玻璃改为氟化镁材料（MgF2），它可以透过更长波长的红外线辐射，使其灵敏度更高；导弹的跟踪角速度也达到 12 度/秒。
针对 B 型导弹射程短的弱点，AIM-9D 改进了固体火箭发动机，采用洛克达因（Rockdyne）公司的 “大力士”MK36 Mod5 型固体火箭发动机，射程也由此增加到 18.53km；为了加强安全性，发动机点火电路装有抗干扰无线电滤波器，防止由于外来电磁干扰导致导弹意外 点火；引信改为无线近炸引信，而且移到了战斗部前方，采用了新型连续杆式战斗部，大大提高了杀伤力。D 型最重要的是改进是侦测距离；寻标器接收的频段也移到外界热杂讯分布较少的范围；缩减寻标器的视野，使其锁定目标时不易收到其它方位的杂讯（但如此也会缩减侦测的角度范围，而减少目标寻获机率）。此外，海军也换装新的导弹推进段以提供更高的推力；流线型的弹鼻降低阻力，使导弹速度增加、最大射程更远；换装新的引信与弹头则缩减了最小射程限制，一增一减下，其有效射程范围是 B 型的两倍。其结果相当成功。
AIM-9D 弹头外形
AIM-9D 导弹于 1965 年进入海军服役。它是第一种专门为海军设计的响尾蛇导弹，后来的海军型——G 型和 H 型都在它基础上发展起来。以 AIM-9D 作为主要武器的 F-8 战机和其它战机相比，由于导弹可用射程范围的增加，再加上 F-8 飞行员的训练相当注重教导飞行员了解响尾蛇导弹的射程特性，使其在每次接战中的击落机率最高。而且在滚雷行动期间，AIM-9D 发射时在射程之外的机率只有 13%，和射程较长、又用雷达判断射距的麻雀导弹差不多（11%），低于 AIM-9B 的 28%。故海军高层开始改变武器思想，在 TopGun 的课程中训练飞行员应优先取得适合响尾蛇导弹的位置，发射一枚后先观察结果、再发射下一枚；而不像空军一样，取得战位就把 4 枚导弹都射出去。
赎罪日战争中，以色列“鬼怪”发射 AIM-9D“响尾蛇”导弹击中一架 MiG-21 的照相枪照片
AIM-9G
AIM-9G 以已经相当成功的 D 型为基础继续改进，加上海军 F-4 飞行员训练改以响尾蛇为主，充分教导响尾蛇的发射限制。后卫作战期间，海军的 24 次击坠纪录中有 23 次是使用响尾蛇导弹；而空军则在 48 次击坠中，30 次使用麻雀导弹，比较起来便可看出海军对响尾蛇导弹的重视程度。而 AIM-9G 也不负众望，发射了 50 枚就命中 23 枚，命中率高达 46%。
Randy “Duke” Cunningham 在一天之中击落的三架米格，座机 F-4J 就挂载了 AIM-9G