אף על פי ש-F-4C היה זהה בעיקרון ל-F-4B של חיל הים/חיל הנחתים מבחינת ביצועי טיסה ונושא את טילים AIM-9 Sidewinder, ה-F-4Ds המותאמים על-ידי חיל האוויר האמריקאי הגיעו בתחילה ביוני 1967 מצוידים ב-AIM-4 Falcons. עם זאת, הפאלקון, כמו קודמיו, תוכנן כדי להפיל מפציצים כבדים שטסו ישר וברמה. אמינותו לא הוכיחה טוב יותר מאחרים, רצף ירי מורכב וזמן קירור ראש מחפש מוגבל גרם לו להיות כמעט חסר תועלת בקרב נגד לוחמים זריזים. ה-F-4Ds חזרו לשימוש ב-Sider במסגרת תוכנית "Rivet Haste" בתחילת 1968, ובשנת 1972 ה-AIM-7E "Dogfight Sparrow" הפך לטילון הטילים המועדף עבור טייסי חיל האוויר האמריקאי. בדומה לשלישות AIM-9 Sidewinder האחרות, ה-F-4Ds המותאופיים של חיל הא
טילים AIM-9 Sidewinder