Именно Р-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 Р-5 IB в процессе производства, были включены в конструкцию Р-5 ID. Он был оснащён мотором Паккард V-1650-7, таким же так и Р-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 Р-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 Р-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 Р-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 Р-51К было поставлено ВВС Великобритании и Австралии.
