YF-4H-1
Prototipo (1958).
F-4B
Prima versione di serie per l'US Navy, introdotta nel 1961.
F-4C
Prima versione di serie per l'USAF, introdotta nel 1963.
Alcune decine di questi aerei furono convertiti nella variante EF-4C, specializzata nel ruolo SEAD.
F-4D
Seconda versione di serie per l'USAF, introdotta nel 1966, con nuova suite avionica.
F-4E
Versione estremamente migliorata, per l'USAF, realizzata sulla base delle esperienze operative nel Vietnam.
La manovrabilità veniva migliorata con l'introduzione di slats, l'armamento veniva integrato con un cannone Vulcan interno, tutto il sistema avionico era migliorato, i motori J79 erano modificati per abbassare le emissioni di fumo, la capacità interna di carburante veniva aumentata.
I primi F-4E furono consegnati nel 1967 e questa versione è stata quella principale per l'USAF.
Il Giappone ha adottato questa versione con la sigla F-4EJ.
F-4F
Versione semplificata dell'F-4E, senza capacità di lanciare i missili aria-aria Sparrow, realizzata per la Luftwaffe che ha iniziato a ricevere i caccia dal 1973. Successivamente questi aerei sono stati aggiornati con il programma ICE, con un radar APG-65 e compatibilità con il missile AMRAAM.
L'F-4F è talvolta confuso con l'F-4E(F), che invece è una versione monoposto dell'F-4E, inizialmente proposta alla Luftwaffe e mai adottata.
F-4G
Versione SEAD (Wild Weasel) derivata dall'F-4E. Il cannone Vulcan veniva rimosso per fare spazio alla nuova suite avionica, ottimizzata per rilevare le sorgenti radar nemiche e sopprimerle mediante missili anti-radar tipo SHRIKE, STANDARD ARM e, da ultimo, HARM.
F-4J
Seconda e principale versione di serie per l'US Navy, ancora senza cannone interno (il Vulcan poteva essere montato in un pod centrale sotto la fusoliera), caratterizzata da una suite avionica estremamente sofisticata per l'epoca, come il sistema radar AN/AWG-10 con capacità di ingaggio nei confronti di bersagli volanti a quote bassissime, il sistema di acquisizione del bersaglio VTAS montato sul casco, sistemi avanzati ESM/ECM, nuovo sistema integrato di navigazione, combattimento e attacco. I motori erano a bassa emissione di fumo. Le consegne iniziarono nel 1966.
F-4K
Versione ottimizzata per le esigenze della Royal Navy, e basata sull' F-4J, rispetto alla quale montava i più potenti ed efficienti turbofan Rolls Royce Spey 201. Le consegne iniziarono nel 1968.
Conosciuta come Phantom FG.1.
F-4M
Versione dell'F-4K per la RAF. Consegne dal 1968.
Conosciuta come Phantom FGR.2.
F-4N
Si tratta di F-4B ricondizionati per rimediare ad alcuni problemi di fatica strutturale. Gli esemplari convertiti furono consegnati all'US Navy a partire dal 1973.
F-4S
Si tratta di F-4J ricondizionati, consegnati all'US Navy a partire dal 1978, con avionica migliorata e aggiornata. Essi furono destinati a servire sulle portaerei più piccole dell'US Navy, in particolare la classe Midway, che non erano compatibili con i nuovi F-14 Tomcat.
RF-4
Alcune versioni del Phantom hanno costituito la base per delle versioni da ricognizione fotografica. E' questo il caso degli RF-4B della Navy, degli RF-4C dell'USAF, degli RF-4E realizzati per il mercato estero (tra cui Germania e Israele), degli RF-4EJ giapponesi.
Generalmente questi ricognitori erano del tutto disarmati, anche se la Luftwaffe volle che i suoi RF-4E fossero dotati di una completa capacità di attacco al suolo mentre Israele ha integrato missili classe Sidewinder per l'autodifesa.
QF-4
Si tratta di aerobersagli radiocomandati, ottenuti per conversione di F-4 radiati (prevalentemente F-4B).
Kurnass 2000 (Super Phantom 2000)
Il Phantom è stato oggetto di numerose proposte di aggiornamento, alcune limitate alla suite avionica e all'armamento (come gli F-4EJ Kai giapponesi e gli F-4F/ICE tedeschi), altre molto più radicali, che prevedevano la completa rimotorizzazione con moderni turbofan.
La Boeing aveva proposto un Super Phantom con motori PW1120 derivati dai modernissimi F100 dei caccia F-15 ed F-16, e anche Israele aveva studiato la stessa soluzione, montando i PW1120 su un prototipo nell'ambito del programma di aggiornamento Kurnass-2000.
Il prototipo dimostrò prestazioni davvero esaltanti, come la capacità di volare in supercrociera.
Il programma Kurnass 2000 è stato poi ridimensionato e “ridotto” a un aggiornamento dell'intero sistema avionico, rinforzi strutturali e miglioramenti aerodinamici. I Phantom così aggiornati sono entrati in servizio con le forze aeree israeliane a partire dal 1989.