История одного из наиболее знаменитых и массовых истребителей третьего поколения начинается в августе 1953 года. Компания McDonnell вышла с предложением одноместного многоцелевого самолета AH-1 на базе всепогодного истребителя F3H Demon. Так как флот в то время не нуждался в подобном самолете, был предложен вариант быстро заменяемых носовых секций с одно- и двухместными кабинами и различными вариантами оборудования, что позволило бы привлекать самолет к решению различных задач. Оружие размещалось на 9 узлах внешней подвески. Проект вызвал определенный интерес, но было решено, что самолеты Grumman F9F Cougar и Vought F8U Crusader, заказанные в апреле и июне 1953 года, больше соответствуют требованиям ВМФ к сверхзвуковому истребителю.

В 1955 году компании McDonnell было предложено разработать двухдвигательный всепогодный перехватчик F4H-1, способный защищать ударное авианосное соединение на дальних подступах. Самолет должен был самостоятельно обнаруживать, опознавать и уничтожать воздушные цели, что требовало оснащения самолета мощным радиолокационным оборудованием и введения второго члена экипажа. Самолет с ракетным вооружением должен был быть способен патрулировать в течении двух часов на удалении до 500км от авианосца и оставаться в воздухе до трех часов без дозаправки.

Конструкторами McDonnell было принято решение на использование тонкого стреловидного крыла со стреловидностью 45°. Новое крыло имело хорошие малоскоростные характеристики, что было продиктовано особенностями посадочных режимов палубной авиации. Для повышения устойчивости складные части крыла получили характерный зуб и были отклонены вверх на 12°. Площадь вертикального оперения была увеличена. Горизонтальное оперение решено было сделать цельноповоротным с поперечным V равным -23°, что позволяло избежать затенения на больших углах атаки. Носовая стойка шасси получила возможность удлиняться на пол-метра во время взлета для увеличения угла атаки. Для аварийного покидания самолета кабины решили оборудовать катапультируемыми креслами Mk.H5 фирмы Martin-Baker.

Свой первый полет F4H-1 совершил 27 мая 1958 года. Из-за задержек в создании планировавшегося на самолет двигателя J79-GE-8 прототип YF4H-1 оснастили двигателями J79-GE-3A с тягой 6713кг. В ходе испытаний и эксплуатации была отработана система дозаправки в воздухе, установлена система сдува пограничного слоя с отбором воздуха у компрессора. В 1959 году самолету дали имя Phantom II, а в 1962 году в связи со сменой системы обозначений, самолет F4H-1 переименовали в F-4A. Первую посадку на палубу авианосца F-4A совершил 15 февраля 1960 года.

На момент своего создания Phantom был лучшим истребителем в мире. В 1959 году было решено совершить ряд рекордных полетов. В декабре 1959 года самолет достиг высоты 30040м, в сентябре 1960 года он показал скорость 1958км/ч на замкнутом маршруте 500км, а в ноябре 1961 года был поставлен рекорд скорости 2585км/ч. Всего с 1959 по 1969 года самолетом было поставлено 16 мировых рекордов в различных классах.

Первой модификацией истребителя Phantom, выпускавшейся большой серией, стал вариант F-4B. В этой машине были объединены доработки, производившиеся на различных машинах F-4A, и установлены двигатели J79-GE-8A. Несмотря на то, что самолет проектировался как истребитель, на самолет установили систему управления ядерным оружием. Полетом самолета управляла аналоговая САУ и автопилот фирмы General Electric. Самолет оснастили девятью узлами подвески, обеспечивавшие возможность использования до 8454кг бомб или пятнадцати блоков НУРС FFAR.

В 1962 году, вскоре после принятия истребителя F4H-1 на вооружение палубной авиации ВМФ США, был заказан вариант для ВВС, получивший обозначение F-110 Spectre. Вскоре, в результате унификации названий, самолет был переименован в F-4C. Если на флоте F-4 использовался преимущественно в качестве перехватчика, то вариант для ВВС стал ударным самолетом.

Согласно требованиям ВВС, самолет мог применять широкий спектр средств поражения от обычных, свободнопадающих бомб, до тактических ядерных и управляемых ракет. В состав средств воздушного боя к имевшимся УР AIM-7 Sparrow, требовалось включить УР AIM-4 Falcon с ИК-ГСН. В кабине оператора установили органы управления самолетом. Основные опоры получили более широкие колеса. Крюк и систему складывания крыла сохранили.

Самолеты, предназначавшиеся для ВВС, получили новые двигатели J79-GE-15. Штанга системы дозаправки в воздухе была снята, и заменена на систему, совместимую с танкерами САК, которая была установлена в гаргроте. Установили новую БРЛС с режимом картографирования местности и инерциальную прицельно-навигационную систему, позволявшую применять тактические ядерные боеприпасы. Первый серийный F-4C оторвался от земли в 1963 году.

В конце 1964 года F-4С были задействованы в боевых действиях во Вьетнаме. Стандартным вариантом боевой нагрузки F-4C во Вьетнаме было 4 ракеты AIM-7, 4 ракеты AIM-9 и 8340кг бомб. Со временем в состав вооружения были введены подвесные пушечные контейнеры с 20-мм пушкой M61, которые применялись как для атак наземных целей, так и в воздушном бою.

Следующей модификацией F-4C стал F-4D, выпущенный в 1965 году. Самолет получил улучшенный вариант БРЭО и расширенный состав вооружения.

В ходе воздушных боев во Вьетнаме выявились недостатки первых ракет "воздух-воздух". Ракеты были дороги, ненадежны и неустойчивы к противомерам. Подвесная пушечная установка повышала лобовое сопротивление, а точность стрельбы была невысокой. В связи с этим был разработан вариант F-4E со встроенной пушкой, который стал самым массовым и распространенным вариантом самолета.

Для размещения бортовой пушки пришлось использовать удлиненную носовую часть, под которой в обтекателе установили 20-мм шестиствольную скорострельную пушку M61A1 фирмы General Electric. Пушечная установка под носом мешала установке большой БРЛС, устанавливавшейся на F-4C и F-4D, поэтому F-4E оснастили полупроводниковой станцией следующего поколения AN/APQ-120 фирмы Westinghouse, имевшей меньший диаметр антенны. Для снижения веса были сняты приводы механизма складывания крыла. Самолет оснастили новыми двигателями J79-GE-17A. Первый серийный F-4E взлетел 30 июня 1967 года.

Для решения проблем плохой маневренности и повышения устойчивости самолета на больших углах атаки, были установлены автоматические предкрылки. Производство F-4E осуществлялось 12 лет до 1979 года, в течении которых было построено 1387 машин. В 1975 году часть F-4E переоборудовали в противорадиолокационные самолеты F-4G Wild Weasel.

C конца семидесятых годов F-4E ВВС США начали постепенно вытесняться новейшими F-15 Eagle и F-16.

Правительством ФРГ было заказано 175 самолетов упрощенного и более дешевого варианта истребителя F-4E, получившего обозначение F-4F. Выпуск ряда агрегатов и двигателей был налажен на заводах Германии, что еще больше снизило стоимость самолета. Свой первый полет F-4F совершил 18 мая 1973 года. Начиная с ноября 1980 года F-4F начали оборудовать системами дозаправки в воздухе, цифровой системой управления оружием и системой всепогодной навигации. Модифицированные по программе Improved Combat Efficiency F-4F будут оставаться в Luftwaffe до 2010 года.

Параллельно с работами над F-4D для ВВС, для ВМФ разрабатывался вариант F-4J. Самолеты оснастили новыми двигателями J79-GE-10 тягой 8119кг на форсаже. Из-за возросшего веса F-4J получили укрепленные основные опоры шасси. Для улучшения взлетно-посадочных характеристик было решено выполнить щель вдоль передней кромки стабилизатора. Эта мера позволила существенно повысить эффективность горизонтального оперения на малых скоростях. Предкрылки зафиксировали в выпущенном положении.

В состав оборудования так же были внесены изменения. Самолеты F-4J получили новую систему бомбометания AN/AJB-7, обеспечивавшую всевысотное применения ядерных и обычных бомб. Система управления оружием была заменена на AN/AWG-10, интегрированную с импульсно-доплеровской РЛС AN/APG-59 фирмы Westinghouse. Новая БРЛС была способна эффективно обнаруживать и сопровождать низколетящие цели на фоне земли или моря. В состав оборудования была добавлена аппаратура односторонней передачи данных AN/ASW-25, что позволяло осуществлять посадку на авианосец в автоматическом режиме. Позже самолеты получили нашлемную систему целеуказания VTAS. Для покидания самолета в экстренных ситуациях были установлены катапультные кресла класса "0-0" фирмы Martin-Baker. В строевые части ВМФ F-4J начали поступать в октябре 1966 года.

В 1970 году была начата программа модернизации истребителей F-4B ВМФ США, получившая кодовое название "Bee Line". Модернизированные по этой программе самолеты получили обозначение F-4N. Самолеты проходили капитальный ремонт, в ходе которого производилось усиление элементов конструкции, что позволяло продлить назначенный ресурс, и полная замена электрооборудования бортовой сети. Все F-4N оснастили стабилизаторами, аналогичными установленным на F-4J. Оборудование дорабатывалось по стандарту F-4J. Первый F-4N поднялся в воздух 4 июня 1972 года, но им на смену очень скоро пришли F-14A. Последний F-4N был снят с вооружения ВМФ США в феврале 1984 года. После снятия с вооружения многие F-4N были оборудованы в летающие мишени QF-4N с дистанционным радиоуправлением.

Для продления срока службы F-4J, в 1975 году была начата программа модернизации, аналогичная проведенной ранее программе "Bee Line". Доработанные самолеты получили обозначение F-4S. Основные изменения коснулись силовых элементов конструкции и шасси. С целью повышения маневренности установили автоматические двухпозиционные предкрылки. Одной из постоянных проблем самолетов Phantom был хвост копоти, остававшейся от работы двигателей, что демаскировало самолеты на большом расстоянии. С целью решения данной проблемы, F-4S были оснащены двигателями J79-GE-10B с малодымящими камерами сгорания. Первый модернизированный F-4S поднялся в воздух 22 июля 1977 года. Последний F-4S был снят с вооружения ВМФ США в мае 1987 года, а в корпусе морской пехоты самолеты служили до 1992 года.

В июне 1964 года по заказу Королевского флота Великобритании был разработан вариант F-4K в соответсвии с британскими требованиями. Для обеспечения возможности использования на английских авианосцах, имевших меньшие размеры, чем американские, было произведено большое количество доработок и изменений. Самолет оборудовали двигателями RB.168-15R Spey 201 фирмы Rolls-Royce. Более мощные двигатели позволили безопасно эксплуатировать самолеты на небольших палубах, и повысили эффективность системы сдува пограничного слоя, что снизило посадочную скорость. Новые двигатели потребовали увеличения нижней части задней части фюзеляжа. С целью снижения посадочной скорости на F-4K были установлены закрылки большей площади. Для увеличения угла атаки крыла на взлете была создана новая двухсекционная, выдвигавшаяся на метр, носовая стойка шасси.

Первый полет F-4K состоялся 27 июня 1966 года. На вооружение ВМФ они поступили под обозначением Phantom FG.Mk.1. Английские двигатели обеспечили самолету больший радиус действия и лучшую скороподъемность. Однако максимальная скорость и высота полета стали хуже.

Единственным носителем британских самолетов Phantom был авианосец Ark Royal, но в 1978 году британское правительство приняло решение отказаться от использования в палубной авиации самолетов обычной схемы взлета и посадки, и авианосец Ark Royal был снят с вооружения. Оставшиеся F-4K были переданы ВВС.

Королевские ВВС по примеру флота приняли на вооружение вариант F-4M с двигателями Spey под обозначением Phantom FGR.Mk.2 (Fighter, Ground attack and Reconnaissance). Основным отличием F-4M от F-4K стала БРЛС AN/AWG-12 сопряженная с инерциальной навигационной системой. Как и F-4K, самолеты F-4M не оснащались встроенной пушкой. В состав вооружения входило четыре УР AIM-7 Sparrow на подфюзеляжных узлах и до четырех УР AIM-9 Sidewinder на крыльевых пилонах. Самолеты служили в Британских ВВС до 1992 года.

В ноябре 1968 года Япония заказала у компании McDonnell истребитель F-4EJ. Производство самолета должно было осуществятся в Японии на заводах Mitsubishi. Вариант F-4EJ был лишен аппаратуры, предназначенной для работы по наземным целям. Была снята и система управления ядерным оружием. Состав вооружения "воздух-воздух" был расширен за счет японской УР малой дальности AAM-2. Первый самолет японской сборки впервые поднялся в воздух 12 мая 1972 года.

В июне 1984 года японские силы самообороны начали программу модернизации истребителей F-4EJ. Модернизированные самолеты получили обозначение F-4EJ Kai. Установленная на самолет новая БРЛС лучше обнаруживала малоразмерные цели, а так же позволяла эффективнее работать по целям на фоне земли. Были установлены новая бортовая ЭВМ, индикатор на лобовом стекле и инерциальная навигационная система. Самолет получил возможность использовать многоцелевой контейнер РЭБ. В состав вооружения включили ракеты AIM-7E/F, AIM-9L/P и противокорабельные ASM-1 фирмы Mitsubishi. Первый F-4EJ Kai поднялся в воздух в 17 июля 1984 года.