Þó að F-4C væri í grundvallaratriðum eins og F-4B í flugi og flogið með AIM-9 Sidewinder eldflaugum, þá komu F-4D til USAF í júní 1967 með AIM-4 Falcons. Falcon, eins og forverar hans, var hannaður til að skjóta niður þungar sprengjuflugvélar sem flugu beint og á hæð. Áreiðanleiki hans reyndist ekki betri en aðrir og flókið skothlutfall hans og takmarkaður kælingartími leitara-höfuð gerði hann nánast gagnslaus í bardaga gegn snjallum bardagamönnum. F-4Ds fóru aftur að nota Sideers undir "Rivet Haste" áætluninni snemma árið 1968, og árið 1972 var AIM-7E "Dogfight" orðið aðal eldflauginn fyrir flugmenn USAF. Eins og aðrir Phantom-4Ds, F-4Ds sem USAF sérsniðin voru fyrst í júní 1967 voru búin með AIM-4 Falcons.
AIM-9 Sidewinder eldflaugar