Доработки P-51В/С продолжались в ходе серийного производства. Начиная с серий P-51B-10 и С-5, стали устанавливать новый мотор V-1650-7. Его мощность возросла до 1590 л.с. на высоте 2590 м. Установка топливного бака ёмкостью 321 литр за местом пилота позволила ещё увеличить и без того феноменальную дальность полёта P-51В. Правда, установка бака несколько повлияла на управляемость, но эту проблему впоследствии решили установкой цельнометаллических рулей высоты.
Британцы начали использовать P-51B/С, которым они присвоили обозначение «Мустанг III», в феврале 1944 года, когда первые самолёты нового типа поступили на вооружение 19-й эскадрильи. Англичане доработали свои самолёты, установив на них новый выпуклый фонарь кабины, называвшийся «колпаком Малькольма», который значительно улучшал обзор. Несмотря на то, что это было британской разработкой, американские истребительные группы тоже постарались обзавестись такими фонарями, бывшими в страшном дефиците.
К концу войны P-51В/С несли службу на всех фронтах. В общей сложности было выпущено 3738 самолётов, из них 944 — «Мустанг III». Несколько машин позднее переделали в учебные, сняв с них фюзеляжный топливный бак и организовав на его месте вторую кабину.
«Мустанги» с «Мерлинами» сломали хребет Люфтваффе. 4 марта 1944 года Герман Геринг увидел в небе над Берлином P-51В из 4-й FG, сопровождавшие бомбардировщики В-17. Он понял, что поражение теперь является лишь вопросом времени.
Именно P-51D общепринято считать «классическим» вариантом «Мустанга», хотя некоторые более поздние модификации имели меньший вес и более высокую скорость. Но он действительно является одним из лучших истребителей, разработанных во время Второй Мировой войны. Все доработки, проводившиеся на модификации P-51B в процессе производства, были включены в конструкцию P-51D. Он был оснащён мотором «Паккард V-1650-7», таким же так и P-51В и С позднего выпуска. Уменьшение передаточного отношения турбонагнетателя позволило улучшить лётные характеристики на малых высотах. Максимальная мощность двигателя на чрезвычайном боевом режиме составляла 1750 л.с. при 3000 оборотах в минуту. Две особенности отличали P-5 ID от машин ранних модификаций. Во-первых, вместо четырех 12,7-мм пулемётов установили шесть, которые все размещались в крыле. Пулемёты развернули вокруг продольной оси так, что патронная лента теперь поступала в них без перегибов, что позволяло практически избавиться от заклинивания оружия, доставлявшего много неприятностей на ранних моделях. Боезапас увеличили для всех пулемётов и теперь он составлял 400 выстрелов для пары внутренних пулемётов и 250 выстрелов на ствол для четырёх остальных. Усилили конструкцию подкрыльевых пилонов, чтобы самолёт мог нести 416-л или 624-л подвесные топливные баки или 453-кг бомбы. Позднее P-51D получил возможность нести под крылом 120-мм неуправляемые ракеты.
Третьим главным отличием стала установка каплевидного фонаря. Фонарь, ставившийся на P-51D, появился в результате разработок плексигласовых блистеров большого размера для бомбардировщиков. Таких, как «Летающая крепость» В-17. Также изменили конструкцию ветрового козырька. С установкой нового фонаря ликвидировали гаргрот за кабиной. Несколько позже на P-51D стали устанавливать небольшой форкиль для увеличения площади вертикального оперения, что позволило решить некоторые проблемы с устойчивостью, характерные для машин предыдущих модификаций. В некоторых подразделениях форкиль устанавливался в полевых условиях и на старые P-51В и С.
Модификация, выпускавшаяся в Далласе, получила обозначение P-51K и отличалась от P-51D фонарем увеличенных размеров. Кроме того, на ней устанавливался винт «Аэропродактс», вместо использовавшегося на всех остальных «Мустангах» с мотором «Мерлин» пропеллера Гамильтон Стандарт. Использование винта «Аэропродактс» не давало какого-либо выигрыша в лётных характеристиках, просто фирма «Гамильтон Стандарт» не справлялась со спросом на сё продукцию, которая использовалась на большинстве американских военных самолётов того периода. Винты «Аэропродактс» значительно отличались от изделий «Гамильтон Стандарт». Они имели полые стальные лопасти вместо цельноалюминиевых и имели другой механизм изменения шага винта, быстрее прогревавшийся и позволявший менять угол установки лопастей со скоростью 6 градусов в секунду. Но лопасти «Аэропродактс» страдали от дисбаланса и более 19 % из них браковались из-за вибраций. Большинство выпущенных P-51К было поставлено ВВС Великобритании и Австралии.
Все модификации «Мустанга» в варианте фоторазведчика имели обозначение F-6 с соответствующей литерой. Понятно, что F-6D/K были созданы на базе P-51D/K, они отличались от предшественников расположением фотокамер — все они были установлены снизу задней части фюзеляжа. Разведывательный комплект состоял из трёх камер: К-17 и К-27 для аэрофотосъёмки с высот до 9100 м и К-24 для фотографирования с малых высот (до 3000 м). На этих самолётах сохранялся полный набор вооружения из шести 12,7-мм пулемётов. Завод «Норт Американ» в Лос-Анджелесе выпустил 136 F-6D, а в Далласа было построено 163 F-6K.
P-51D стал самой массовой модификацией «Мустанга», в общей сложности было изготовлено 9603 самолёта этого типа. Только в 8-й Воздушной Армии они состояли на вооружении 45 истребительных групп. За исключением нескольких подразделений P-47 и ещё меньшего числа P-40, «Мустанги» составляли основную силу истребительной авиации ВВС США в 1945 году. P-51D сумел достойно противостоять лучшим немецким и японским самолётам, а в 1950 году неплохо проявил себя на первом этапе войны в Корее, пока не появились реактивные истребители. Ещё позже, в 1956 году, им пришлось сражаться на Ближнем Востоке. Чтобы защитить себя Израиль использовал три лучших истребителя Второй Мировой войны: «Спитфайр», «Мессершмитт» и P-51D. Израильские пилоты бесспорно признали «Мустанг» самым лучшим из трёх. Это был последний крупный конфликт, в котором довелось участвовать «Мустангу».
P-51H появился в результате проведенной «Норт Америкэн» программы по снижению веса «Мустанга», чтобы он мог сравняться по скороподъемности со «Спитфайром» и «Мессершмитом». При разработке лёгкого истребителя учитывали проблемы, на которые указывали пилоты P-51 в своих боевых донесениях, а также результаты испытаний трёх экспериментальных «Мустангов» — XP-51F, XP-51G, XP-51J, что в конечном счёте и привело к созданию серийного P-51H. Вес XP-51F не должен был превышать 2585 кг — на 590 кг меньше, чем у P-5ID. Такого радикального снижения массы добились, применив крыло с уменьшенной хордой, облегчённые стойки шасси с колёсами небольшого диаметра, фонарем кабины новой конструкции и облегчённый трёхлопастный винт Аэропродактс. В качестве силовой установки использовали мотор «Паккард V-1650-3», такой же как на P-51В. При весе 2556 кг ХP-51F продемонстрировал в ходе лётных испытаний максимальную скорость 750 км/ч на высоте 8839 м и скороподъёмность 1219 м/мин.
XP-51G представлял собой планер ХP-5IF, оснащённый экспериментальным мотором «Роллс-Ройс RS-14SM», на котором карбюратор заменили специальным, довольно капризным устройством. При правильной регулировке этот мотор развивал мощность 2000 л.с. на высоте 6090 м. Максимальная скорость XP-51G возросла до 796 км/ч, а скороподъёмность до 1524 м/мин. Из-за отсутствия герметичной кабины потолок самолёта ограничили высотой 14 000 м. ХP-51J имел планер облегчённой конструкции и был построен «вокруг» нового мотора «Аллисон V-1710-119», который должен был развивать такую же мощность, как «Мерлин» PS-14SM. Но на испытаниях этот двигатель доставил массу проблем, и от его использования отказались. В дальнейшем мотор удалось довести и он устанавливался на все P-82 после модификации Е.
При создании P-51H использовали планер ХP-51F, удлинив фюзеляж на 13 сантиметров и оснастив его мотором «Паккард V-1650-9», развивавшем мощность 1380 л.с. при 3000 оборотах в минуту и 2270 л.с. при краткосрочном боевом режиме работы с впрыском воды. Удлинённый фюзеляж позволил решить проблемы с устойчивостью, с которыми столкнулись на опытных облегчённых «Мустангах». Начиная с 33 серийного P-51Н стали устанавливать новое вертикальное оперение увеличенной высоты. На этой модификации также использовались трёхлопастные винт «Аэропродактс» с «манжетами», уменьшенный воздухозаборник в носовой части и радиатор увеличенных размеров.
Вопреки распространенному мнению, P-51H никогда не принимали участия в каких-либо боевых действиях. Кроме того, это была единственная модификация «Мустанга» никогда не продававшаяся зарубежным покупателям. Хотя до капитуляции Японии ВВС США получили 370 таких истребителей, ни один из них не успел попасть в боевые подразделения. К июню 1950 года, когда вспыхнула война в Корее, P-51H уже были практически полностью сняты с вооружения. Тем не менее, самолёты этой модификации хорошо послужили ВВС США в тот сложный период между двумя войнами, когда произошел переход на реактивную технику.
