Grumman đã làm việc cho một máy bay tiếp nối F4F Wildcat lâu trước khi Nhật Bản tấn công Trân Châu Cảng. Dù F4F là một máy bay tiêm kích có khả năng, những đối địch ban đầu cho thấy kiểu A6M Zero của Nhật cơ động hơn và có tốc độ lên cao nhanh hơn F4F, cho dù F4F có một số ưu thế so với Zero. Wildcat chịu đựng được một lượng tổn hại đáng kể so với Zero, và trang bị vũ khí tốt hơn. F4F cũng bổ nhào nhanh hơn Zero, một ưu thế mà phi công Wildcat thường dùng để né tránh sự tấn công của Zero. Những ưu điểm đó được mang vào F6F kèm theo những cải tiến khác, tạo ra kiểu máy bay tiêm kích vượt trội Zero hoàn toàn. Hợp đồng cho chiếc nguyên mẫu XF6F-1 được ký vào ngày 30 tháng 6 năm 1941. F6F ban đầu được lắp động cơ Wright R-2600 Cyclone 1.700 mã lực (1.268 kW), nhưng căn cứ trên kinh nghiệm chiến đấu giữa F4F Wildcat và Zero, Grumman quyết định cải tiến chiếc máy bay tiêm kích của họ vượt trội sự khống chế của Mitsubishi Zero trên mặt trận Thái Binh Dương.[1] Grumman trang bị động cơ Pratt & Whitney R-2800 Double Wasp 2.000 mã lực (1.500 kW) ước lượng sẽ có tác dụng nâng tính năng bay thêm được 25%.[1] Nguyên mẫu trang bị động cơ Cyclone (02981) bay lần đầu ngày 26 tháng 6 năm 1942 trong khi kiểu gắn động cơ Double Wasp, chiếc XF6F-3 (02982) bay lần đầu ngày 30 tháng 7 năm 1942.

Cùng được đề nghị trang bị cho các nguyên mẫu của Hellcat, kiểu XF6F-2 gắn một loại động cơ turbin siêu tăng áp nhưng chỉ cải thiện được chút ít tính năng, và cho đến khi có nhu cầu cải thiện tốc độ từ phía hạm đội, biến thể này, cùng với kiểu siêu tăng áp 2 tốc độ XF6F-3, bị bỏ qua. Sau này, các biến thể F6F-4 và F6F-5 được hưởng lợi từ những phát triển tiên phong đó.

Giống như Wildcat, Hellcat được thiết kế để sản xuất dễ dàng và chịu đựng các tổn hại đáng kể. Vỏ giáp bọc khoang lái cân nặng 96 kg (212 lb) được gắn để bảo vệ phi công, cũng như kính chống đạn, vỏ bọc quanh bình dầu động cơ và tản nhiệt dầu động cơ.[2] Thùng nhiên liệu tự hàn kín giảm thiểu hơn nữa nguy cơ cháy và thường cho phép máy bay bị tổn hại có thể quay về căn cứ. Phi công "Ách" mọi thời đại của Hải quân Hoa Kỳ, Đại úy David McCampbell lập mọi chiến công của ông trên chiếc Hellcat. Một lần ông đã mô tả F6F như là "...một máy bay tiêm kích vượt trội. Tính năng bay tốt, dễ lái và làm một bệ súng vững vàng. Nhưng cái làm tôi nhớ nhiều nhất là nó rất chắc chắn và dễ bảo trì." [3]

Chiếc máy bay đầu tiên ra khỏi dây chuyền sản xuất, đặt tên là F6F-3, bay vào ngày 3 tháng 10 năm 1942 và sẵn sàng tác chiến tại phi đoàn VF-9 trên chiếc USS Essex vào tháng 2 năm 1943.[2]

Hai tiểu biến thể bay đêm của F6F-3 cũng được phát triển. F6F-3E, biến thể từ khung kiểu-3, trang bị radar AN/APS-4 trong một bầu trên cánh phải. Chiếc F6F-3N sau đó, lần đầu ra mắt vào tháng 7 năm 1943, trang bị radar AN/APS-6. Đến tháng 11-1943, kiểu Hellcat bay đêm lần đầu hoạt động.[4] Việc gắn radar AN/APS-6 radar cho những chiếc F6F-5 để cải biến thành F6F-5N, và một số ít F6F-5 cũng được trang bị máy ảnh cho nhiệm vụ trinh sát như chiếc F6F-5P.[5]

Thay cho bộ bánh đáp hẹp của Wildcat xếp vào thân vận hành bằng tay quay do phi công điều khiển, Hellcat trang bị bánh đáp rộng hơn vận hành bằng thủy lực xoay 90° và xếp gọn ra phía sau trong cánh[6]. Cánh được gắn thấp thay vì gắn giữa thân và gấp lên giống như các biến thể sau này của Wildcat, cho phép Hellcat gọn gàng, xếp sát nhau trên sàn đáp.[7]

Vũ khí trang bị tiêu chuẩn của F6F bao gồm 6 súng máy Browning cỡ nòng.50" (12,7 mm) với 400 viên đạn mỗi khẩu; sau này được tăng cường 3 đế gắn mang được tải trọng bom hơn 900 kg (2.000 lbs). Đế giữa có khả năng mang một thùng nhiên liệu phụ vứt được 568 L (150 U.S. gallon). Nó cũng mang được 6 rocket HVAR (High Velocity Aircraft Rocket) 127 mm (5 in), 3 rocket dưới mỗi cánh.[8]

Biến thể tiếp theo và là kiểu thông dụng nhất, F6F-5, có một số cải tiến như là các bề mặt điều khiển máy bay toàn kim loại, thay cửa sổ sau bằng vỏ giáp, cải tiến tầm nhìn qua kính, và rất nhiều cải tiến nhỏ khác[6]. Một cải tiến khác cho F6F-5 là số lượng lớn vũ khí trang bị được hơn nhiều so với tiêu chuẩn 6 súng máy 12,7 mm. Thử nghiệm trang bị pháo cho Hellcat không tiến triển thành phiên bản sản xuất, cho dù kiểu phối hợp 2 pháo Hispano 20 mm (0,79 in) mang được 220 quả đạn mỗi khẩu, cùng một cặp súng máy cỡ nòng.50" (12,7 mm) mang được 400 viên đạn mỗi khẩu sau đó được dùng trên phiên bản bay đêm F6F-5N.[9] Tất cả F6F-5 sản xuất đều dùng được nhiều cấu hình vũ khí khác nhau, nhưng chỉ phiên bản bay đêm F6F-5N có radar là dùng vũ khí mới nhất[9].

Hai chiếc F6F-5 được trang bị động cơ hình tròn 18 xi lanh 2.100 mã lực (1.567 kW) Pratt-Whitney R-2800-18W tăng áp 2 tầng vốn dùng cho F4U-4 Corsair. Phiên bản Hellcat mới có bộ cánh quạt 4 cánh và tên hiệu là XF6F-6. Chiếc này chứng tỏ tính năng bay tốt nhất trong loạt với tốc độ tối đa đến 417 mph[6]. Kế hoạch sản xuất hằng loạt phiên bản này bị ngưng lại sau ngày chiến thắng Thế Chiến II.[10]

Chiếc Hellcat cuối cùng sản xuất lăn bánh vào tháng 11 năm 1945, tổng cộng có 12.275 chiếc được sản xuất, trong đó 11.000 được sản xuất chỉ trong vòng 2 năm.[11] Tốc độ sản xuất ấn tượng này là nhờ thiết kế nguyên bản thật hoàn hảo, chỉ yêu cầu cải biến nhỏ trong quá trình sản xuất.