В серийном производстве новые предкрылки устанавливались c 756-го F-4E (71-0237), выпущенного в феврале 1972 года. Все построенные позже F-4E, германские F-4F, последние 12 RF-4C, а также все RF-4Е получили такие предкрылки. Дополнительно в апреле 1972 года ВВС США заказали аналогичную модернизацию 304 F-4E (почти всех самолетов этой модификации, эксплуатируемых в то время в США). Первый доработанный F-4E был готов в конце сентября 1972 года.
С того же самолета 71-0327 на F-4E устанавливалась новая инерциальная навигационная система "Лир-Сиглер" AN/ARN-101. Эта система имела интегральный цифровой вычислитель и устройства автокоррекции. Построенный на транзисторах вместо ламп компьютер выполнял также функции бомбардировочного вычислителя. Благодаря этому AN/ARN-101 смогла заменить сразу три системы: ИНС AN/ASN-63, вычислитель пройденного пути AN/ASN-46 и бомбардировочный компьютер AN/ASQ-91, бывший частью системы прицеливания AN/AJB-7. Информация от системы AN/ARN-101 отображалась на модернизированном прицеле AN/ASG-26В. На него выводились не только прицельные сетки, но и пилотажная информация: высота полета, скорость, углы крена и тангажа. Благодаря этому летчик мог вести ближний бой, не отвлекаясь на показания соответствующих приборов.
Ещё одной важной модификацией стала установка на передней кромке левой консоли крыла телевизионной камеры "Нортроп" AN/ASX-1 TISEO (TISEO - Target Identification System Elektro-Optical, т.е. "электронно-оптическая система распознавания цели"). Она управлялась из кабины оператора вооружения, а её оптическая ось могла отклоняться на угол до 30° от оси самолета. Поле зрения камеры составляло 1,5°. Изображение с неё передавалось на монитор-кинескоп в кабине оператора вооружения. AN/ASX-1 позволяла идентифицировать воздушные цели на расстоянии до 15-25 км (в зависимости от прозрачности атмосферы). Если противник начинал ставить активные радиопомехи, то следящая камера системы TISEO управляла антенной РЛС, обеспечивая подсветку целей для ракет "Спэрроу". Кроме того, она практически исключила случаи поражения своих самолетов.
С серии "блок 53", т.е. с 887-го серийного F-4E, на самолетах внедрили антиблокировочную систему в тормозах колес, фотокинопулемет КВ-25/А, снимающий изображение с индикатора оптического прицела AN/ASG-26B, а также модифицированный катодный монитор в кабине оператора с новой системой преобразования цифрового сигнала в аналоговый (это позволило применять УР "воздух-поверхность" AGM-65D с тепловизионной ГСН). С этой же серии начали устанавливать двигатели J79-GE-17C либо J79-GE-17E с усовершенствованной камерой сгорания и системой смазки замкнутого типа. Все перечисленные усовершенствования постепенно внедрялись и на самолетах ранних выпусков в ходе их капремонтов.
В ходе эксплуатации F-4E вскрылись проблемы, связанные с всасыванием пороховых газов пушки "Вулкан" в воздухозаборники двигателей, что могло привести к помпажу и остановке последних. Решением этой проблемы занялись специалисты фирмы "Дженерал Электрик", поскольку и пушка "Вулкан", и двигатель J79 были именно её детищами. Был удлинен пламегаситель и изменена его форма, чтобы направить газы вниз в стороны.
Для увеличения потока свежего воздуха вокруг стволов и ускорения "выдувания" пороховых газов по бортам фюзеляжа сделали специальные окна, открываемые при нажатии на гашетку пушки и закрываемые спустя 30 с после прекращения стрельбы. Наконец, в воздухозаборниках двигателей установили специальные створки, открываемые при стрельбе из пушки. Это, правда, вело к снижению динамического давления воздуха на входе в компрессор двигателя, но одновременно уменьшало возмущения воздуха, вызывающие помпаж компрессора. Такие изменения "вылечили" F-4E от остановок двигателей посредством собственной пушки и внедрялись не только на вновь выпущенных самолетах, но и на ремонтируемых.
После завершения производства F-4E находящиеся в строю машины этой модификации подвергались некоторым усовершенствованиям. В частности, в начале 80-х годов самолеты получили позиционные огни для облегчения полетов в строю. С 1985 года началась замена старых фонарей кабины новыми, односекционными, выполненными из нескольких слоев поликарбоната и акрила (разработка фирмы "Гудьир Аэроспейс"). Новые фонари не имели переплета, что улучшило обзор, а кроме того, были более стойкими к попаданию птиц.
Расширился и арсенал оружия, применяемого F-4E. Помимо УР "Мэйверик", практически вытеснивших устаревшие "Буллпапы", в 80-е годы эти самолеты получили возможность применять ПРР "Шрайк", управляемые авиабомбы GBU-15 с телевизионной ГСН, а также все семейство УАБ с лазерным наведением "Пейвуэй". Для наведения последних применялись прицельные контейнеры двух типов. Первый из них, "Вестингауз" AN/AVQ-23A/B "Пейв Спайк", представлял собой усовершенствованный вариант применявшегося на F-4D контейнера AN/ASQ-152(V)2. Его могли нести самолеты F-4E, начиная с серии "блок 36" (с 354-го самолета). Более совершенным был контейнер "Форд Аэроспейс" AN/AVQ-26 "Пейв Тэк". Помимо телекамеры он имел ещё и тепловизионную камеру AN/AAQ-9 разработки фирмы "Тексас Инструменте" с двумя полями зрения - 2° и 7,5°. Наличие тепловизионной камеры позволяло атаковать цели в условиях плохой видимости и ночью. Лазер системы "Пейв Тэк" имел большую мощность и, как следствие, - большую дальность подсветки цели. Все оптоэлектронное оборудование имело гироскопическую стабилизацию и систему автоматического слежения за целью. Правда, из-за своих значительных габаритов и массы (630 кг) "Пейв Тэк" мог подвешиваться лишь на центральный подфюзеляжный узел. Этот контейнер могли применять самолеты, начиная с серии "блок 48" (с 781-го F-4E).
- сброс GBU-15 с F-4E.
В общей сложности выпустили 1 393 F-4E, правда, шесть из них построили в "японизированном" варианте F-4EJ (в дальнейшем такие самолеты строились по лицензии в Японии). Таким образом, "чистых" F-4Е построили 1 387 штук, 404 из них строились по экспортным заказам (177 - для Ирана, 62 - Израиля, 56 - Греции, 72 - Турции и 37 - Республики Корея). Остальные 983 самолета были поставлены ВВС США.
- F-4E ВВС Израиля.
Правда, несколько из них так и остались на фирме-производителе для различных испытаний, хотя и числились собственностью ВВС. Ещё десять F-4E (из указанных 983-х) были собственностью западногерманских Люфтваффе, но эксплуатировались на территории США и несли американские опознавательные знаки. То есть фактически ВВС США получили около 970 F-4E, причем около 200 из них позже передали другим странам как "секонд-хенд". Последний построенный F-4E (78-0744) из южнокорейского заказа был выпущен 25 октября 1979 года.
- F-4E ВВС США в полете.