Chiếc F4F-1 bắt đầu là phác thảo một kiểu máy bay cánh kép không được chế tạo để tham gia đấu thầu cho Hải quân, nhưng đã bị loại bởi chiếc máy bay cánh đơn Brewster Buffalo F2A-1. Nó được biến cải toàn bộ thành một máy bay cánh đơn ký hiệu XF4F-2[1] rồi tiếp tục đem ra đánh giá so sánh với Buffalo; và mặc dù XF4F-2 hơi nhanh hơn, Buffalo vẫn vượt trội và được chọn để sản xuất.[1]. Nguyên mẫu của Grumman được thiết kế lại dưới tên XF4F-3 với cánh và đuôi mới và một phiên bản siêu tăng áp của động cơ hình tròn Pratt & Whitney R-1830 "Twin Wasp".[1][2] Thử nghiệm trên chiếc XF4F-3 đưa đến việc đặt hàng kiểu mẫu sản xuất thử F4F-3, chiếc đầu tiên hoàn tất vào tháng 2 năm 1940. Pháp cũng đặt hàng kiểu này, gắn động cơ Wright R-1820 "Cyclone 9" hình tròn, nhưng Pháp thất thủ trước khi được giao hàng và những chiếc này được giao cho Hải quân Hoàng gia Anh và được đặt tên là "Martlet I". F4F-3 của Anh và Mỹ đều đưa vào sử dụng từ năm 1940 và đều được trang bị 4 súng máy Browning cỡ 0,50 in[2].

Mọi phiên bản của Wildcat đều dùng hệ thống bánh đáp gắn vào thân điều khiển bằng tay, và vệt bánh tương đối hẹp thường gây một số tai nạn khi hạ cánh lúc các bánh đáp chưa khóa chặt vào chỗ.[3] Hệ thống hạ cánh khác thường này nguyên được thiết kế bởi Grover Loening cho chiếc máy bay đầu tiên của hãng ông, và vì Leroy Grumman đã làm việc cho Loening trước khi tạo lập công ty của riêng mình, thiết kế này được nhượng quyền cho Grumman và sau đó được dùng cho mọi máy bay tiêm kích cánh kép của Grumman (từ chiếc FF-1 đến F3F) trong thập niên 30 cũng như trên chiếc thủy phi cơ cánh kép J2F Duck.[4]

Tên gọi "Wildcat" được chính thức công bố vào ngày 1 tháng 10 năm 1941.