Tổng cộng có trên 10.000 Lightnings được sản xuất, là một trong số ít máy bay chiến đấu Mỹ được sản xuất suốt thời gian Mỹ tham gia Thế Chiến II. Lightning có ảnh hưởng lớn đến các kiểu máy bay khác, như trường hợp cánh của nó, ở dạng to hơn, được dùng cho chiếc Lockheed L-049 Constellation.[21]

P-38E và P-38F

Phiên bản Lightning đầu tiên tham chiến, bao gồm cải tiến dụng cụ, các hệ thống điện tử và thủy lực. Đang trong sản xuất, cánh quạt kiểu cũ Hamilton Standard Hydromatic bằng thép rỗng được thay bằng cánh quạt Curtiss Electric hợp kim nhôm. Cấu hình vũ khí tiêu chuẩn là 4 súng máy 12,7 mm với 500 viên đạn mỗi khẩu và 1 pháo Hispano 20 mm với 150 quả đạn thay cho kiểu Oldsmobile 37 mm kém tin cậy.

Trong khi các súng máy được sắp xếp đối xứng trên mũi ở các phiên bản trước, chúng được "xếp xen kẻ" kể từ phiên bản P-38E, và các nòng súng nhô ra từ mũi có độ dài tuần tự theo tỉ lệ 1:4:6:2. Mục đích là để các băng đạn được nạp thẳng vào súng, vì kiểu sắp xếp trước đây thường làm kẹt đạn.

Chiếc P-38E đầu tiên xuất xưởng vào tháng 10 năm 1941. Trên 100 chiếc P-38E được hoàn tất tại xưởng hay được biến cải tại chỗ thành phiên bản trinh sát hình ảnh F-4, trên đó các khẩu súng được thay bằng 4 máy ảnh. Hầu hết các chiếc Lightning trinh sát đời đầu được giữ lại trong nước để huấn luyện, nhưng F-4 là chiếc Lightning đầu tiên tham chiến vào tháng 4 năm 1942. Sau khi 210 chiếc P-38E được chế tạo, nó được tiếp nối từ tháng 4 năm 1942 bởi kiểu P-38F, trang bị giá phía trong động cơ để gắn thùng dầu hoặc tổng cộng 900 kg (2.000 lb) bom. Có tổng cộng 527 chiếc P-38F được chế tạo.

P-38G và P-38H

P-38G được bắt đầu sản xuất từ đầu năm 1943, gắn động cơ mạnh hơn Allison 1.400 mã lực (1.040 kW) mỗi chiếc và trang bị radio tốt hơn. P-38G lại được tiếp nối bởi P-38H, với động cơ nâng cấp Allisons 1.425 mã lực (1.060 kW), pháo 20 mm cải tiến và mang được 1.450 kg (3.200 lb) bom. Những kiểu này cũng được cải tiến trên chiến trường thành máy bay trinh sát F-4A và F-5A. Một chiếc F-5A được cải tiến thành kiểu thử nghiệm trinh sát 2 chỗ ngồi và thêm những máy ảnh gắn trên đuôi thân.

Những phiên bản đầu tiên không có được tính năng cơ động tốt, dù chúng có thể khá nhanh nhẹn ở cao độ thấp nếu do các phi công có khả năng lái, lợi dụng tính chất chòng chành của P-38 theo kiểu có lợi nhất. Từ kiểu P-38F-15 trở đi, khả năng "cơ động không chiến" được thêm vào cấu trúc cánh tà Fowler. Khi bật ra ở góc 8°, những cánh lái này cho phép P-38 quay vòng nhanh hơn nhiều chiếc tiêm kích 1 động cơ hiện đại bằng cách đánh đổi thêm chút lực cản. Dù sao, những phiên bản ban đầu bị ngăn trở do lực điều khiển cánh nhỏ nặng và tốc độ lộn vòng ban đầu thấp.

P-38J và P-38L

P-38J được giới thiệu vào tháng 8-1943. Hệ thống làm mát khí nạp tăng áp trên những phiên bản trước được lắp ở cạnh trước của cánh dễ bị tổn hại trong chiến đấu và có thể nổ nếu thực hiện một chuỗi thao tác sai lầm. Trong kiểu P-38J, tản nhiệt của bộ làm mát khí nạp tăng áp được bố trí giữa các bộ làm mát dầu động cơ trong thân bên của Lightning, khiến dáng vẻ không còn thon thả mà có cái "cằm" phân biệt kiểu J khác các kiểu trước. Trong khi P-38J dùng chung kiểu động cơ V-1710-89/91 như kiểu H, tăng áp cải tiến giúp làm tăng công suất động cơ. Cạnh trước của cánh được trang bị thùng nhiên liệu 55 gallon vào chỗ tản nhiệt trước đây. Loạt 210 chiếc kiểu J cuối cùng, ký hiệu P-38J-25-LO, được giảm nhẹ hiệu ứng chịu nén bằng cách thêm một bộ phanh bổ nhào hoạt động bằng điện gắn phía dưới giữa cánh bên ngoài động cơ. Nhờ các cải tiến này, một phi công Không lực đã báo cáo về một tốc độ bổ nhào đạt đến 970 km/h (600 mph), cho dù sau đó được hiệu chỉnh lại do những lỗi chịu nén, nên tốc độ thực sự nhỏ hơn.[22]

Loạt sản xuất P-38J-25-LO cũng được thêm các cánh tà vận hành bằng thủy lực. Lần đầu tiên một hệ thống như vậy được gắn trên máy bay tiêm kích, cải thiện đáng kể tốc độ lật nào của Lightning và giảm độ nặng các điều khiển của phi công. Hài lòng với một chiếc Lightning có được, Lockheed đẩy mạnh sản xuất, làm việc với các nhà thầu phụ khắp nước để sản xuất hàng trăm chiếc Lightning mỗi tháng.

Có 2 chiếc P-38K được phát triển trong giai đoạn 1942–1943. Chiếc đầu là một kiểu P-38E được cải tiến gắn cánh quạt Hamilton Standard "hiệu quả cao" dạng mái chèo giống như loại dùng trên chiếc P-47. Cánh quạt mới đòi hỏi trục quay đường kính lớn hơn, và trục truyền lực gắn cao hơn. Cần có nắp đậy mới để gắn vừa trục quay vào thân. Chiếc này cũng có cải tiến bộ làm mát khí nạp như P-38J.

Hiệu quả của chiếc nguyên mẫu đầu tiên đưa đến việc phát triển chiếc thứ hai, một chiếc P-38G-10-LO cải tiến được ký hiệu P-38K-1-LO, gắn kiểu cánh quạt nói trên và động cơ mới Allison V-1710-75/77 (F15R/L) cung cấp 1.875 mã lực ở chế độ lực chiến đấu khẩn cấp. Trong thử nghiệm, P-38K-1 đạt tốc độ 432 mph và được dự đoán sẽ vượt quá 450 mph ở chế độ lực chiến đấu khẩn cấp, với sự gia tăng tương đương về tốc độ lên cao, tải trọng, trần bay và tầm bay. Tuy nhiên, Hội đồng Sản xuất Chiến tranh từ chối chấp nhận sản xuất P-38K vì cần phải ngưng sản xuất trong 2-3 tuần để cải tạo việc sản xuất nắp đậy mới và trục truyền lực gắn cao hơn.

Kiểu P-38L là phiên bản Lightning có số lượng nhiều nhất, với 3.923 chiếc được sản xuất, trong đó 113 chiếc do Consolidated-Vultee sản xuất tại nhà máy của họ ở Nashville. Nó được Không lực Bộ binh Hoa Kỳ đưa ra sử dụng vào tháng 6 năm 1944, kịp lúc để hỗ trợ cuộc tấn công Pháp của Đồng Minh vào ngày D. Lightning do Lockheed sản xuất được phân biệt bằng hậu tố "LO" trong ký hiệu lô sản xuất, trong khi máy bay của Consolidated-Vultee mang ký hiệu "VN," thí dụ như "P-38L-5-VN."

P-38L là chiếc Lightning đầu tiên gắn ống phóng rocket zero-length. 7 rocket HVAR (High Velocity Aircraft Rockets) gắn vào đế dưới mỗi cánh, và sau này là 10 rocket mỗi cánh trên giá kiểu "cây thông". P-38L cũng có giá mang chắc hơn để mang được bom 900 kg (2.000 lb) hoặc thùng nhiên liệu vứt được 1.140 L (300 US gallon).

Lockheed cải tiến 200 khung P-38J trong sản xuất thành kiểu máy bay F-5B trinh sát hình ảnh không vũ trang, trong khi hằng trăm chiếc P-38J và P-38L khác được cải tạo trên chiến trường thành F-5E, F-5F và F-5G. Một ít P-38L được cải tạo trên chiến trường thành kiểu 2 chỗ ngồi TP-38L dùng trong huấn luyện tương thích.

Những chiếc Lightning đời cuối được giao hàng mà không sơn, theo chủ trương của Không lực đặt ra năm 1944. Đầu tiên, các đơn vị tiền phương thử sơn chúng, vì các phi công lo ngại dễ bị đối phương nhìn thấy, nhưng vấn đề này mang lại lợi ích nhỏ mà thôi.

Loạt P-38L-5, là đợt P-38L thông dụng nhất, có hệ thống sưởi ấm buồng lái cải tiến gồm 1 ổ cắm để phi công gắn dây sưởi ấm trang phục bay cho dễ chịu hơn. Những chiếc này cũng có động cơ V-1710-111/113 (F30R/L) nâng cấp, giúp làm giảm hỏng hóc động cơ hay gặp khi hoạt động ở cao độ cao.

Pathfinder, Night Lightning và các biến thể khác

Lightning được cải tiến cho các vai trò khác. Ngoài những phiên bản trinh sát F-4 và F-5, một số chiếc P-38J và P-38L được cải tiến tại chiến trường thành kiểu "pathfinder" (người dò đường) hay "droopsnoots", trang bị mũi kính và thiết bị ngắm ném bom Norden, hoặc một radar H2X để "ném bom qua sương mù". Chiếc pathfinder sẽ dẫn đầu một phi đội P-38, tất cả đều mang hai bom 900 kg (2.000 lb); cả đội hình sẽ trút bom theo tín hiệu từ chiếc pathfinder.

Một số chiếc Lightning được cải tiến thành máy bay tiêm kích bay đêm. Có rất nhiều kiểu cải tiến tại chiến trường hay thử nghiệm với nhiều loại thiết bị khác nhau mà cuối cùng đưa đến kiểu máy bay tiêm kích bay đêm "chính thức" P-38M, còn gọi là Night Lightning. Có 75 chiếc P-38L được cải tiến thành cấu hình Night Lightning, sơn màu đen và có nắp chụp chắn sáng hình nón trước nòng súng máy, một cụm radar AN/APS-6 bên dưới mũi, và một buồng lái thứ hai dành cho người theo dõi radar có nóc nhô cao hơn phía sau buồng lái của phi công. Khoảng sáng trên đầu của buồng lái thứ hai khá giới hạn, buộc phải chọn lựa người theo dõi radar có vóc dáng thấp bé.

Các thiết bị phụ trợ gắn thêm bên ngoài, thật đáng ngạc nhiên, là không ảnh hưởng mấy đến tính năng bay của P-38M, và nó vẫn bay nhanh hơn kiểu máy bay được thiết kế dành riêng cho nhiệm vụ máy bay tiêm kích bay đêm là chiếc Northrop P-61 Black Widow. Night Lightning tham gia các hoạt động chiến sự tại Thái Bình Dương cho đến hết chiến tranh, nhưng sau khi xác minh, không tham gia trận không chiến nào.

Vào thời kỳ đầu của chiến tranh tại Thái Bình Dương, có một kế hoạch được đề nghị trang bị phao nổi cho chiếc Lightning để nó có thể vận chuyển đường trường tầm xa. Những phao này sẽ được tháo ra trước khi đưa vào chiến đấu. Có mối lo ngại là nước muối bắn lên sẽ gây rỉ sét phần đuôi máy bay, nên một chiếc P-38E được cải tiến có phần đuôi được nâng cao và một buồng lái thứ hai xoay lưng lại hướng ra sau cho một quan sát viên theo dõi hiệu quả của kết cấu mới này. Chiếc P-38E này chưa bao giờ được gắn phao nổi, còn ý tưởng trên nhanh chóng bị bỏ qua vì Hải quân Mỹ chứng tỏ có đủ khả năng vận chuyển để giao những chiếc P-38 đến mặt trận Nam Thái Bình Dương.

Thêm một chiếc P-38E khác được sử dụng thử nghiệm vào năm 1942 để kéo tàu lượn đổ bộ CG-4 Hadrian. Tuy nhiên, đã có sẵn nhiều kiểu máy bay khác, như chiếc C-47s, để kéo tàu lượn, và chiếc Lightning không phải đảm đương trách nhiệm này.

Những chiếc Lightning còn được dùng để vận chuyển nhân sự và hàng hóa ở khu vực Nam Thái Bình Dương. Chúng được trang bị những cụm gắn dưới đế cánh thay cho bom hay thùng nhiên liệu phụ, có thể chở được một hành khách nằm dài hay hàng hóa. Đây là một cách rất bất tiện để bay, vì một số trong các cụm này còn không được trang bị cửa sổ để nhìn ra hay mang lại chút ánh sáng. Một người từng được vận chuyển theo chiếc P-38 theo cách này sau đó đã nói "tên nào thiết kế trò quái quỷ này phải được nhét vô đây một lần cho biết."

Lockheed đề nghị cho Hải quân Hoa Kỳ một phiên bản hải quân của Lightning đặt tên là Kiểu 822. Kiểu 822 sẽ có cánh xếp, móc hãm và càng đáp chắc chắn hơn để hoạt động được trên các tàu sân bay. Hải quân đã không mấy quan tâm đến đề nghị này. Họ cho rằng chiếc Lightning quá lớn để hoạt động trên tàu sân bay, và họ cũng không thích kiểu động cơ làm mát bằng nước, nên Kiểu 822 chỉ được phác thảo trên giấy. Tuy nhiên, Hải quân có sử dụng bốn chiếc F-5B từ căn cứ mặt đất tại Bắc Phi, được chuyển giao từ Không lực Mỹ và đặt tên lại là FO-1.

Một chiếc P-38J được dùng thử nghiệm một kiểu tiếp nhiên liệu trên không, mang một thùng nhiên liệu phụ vứt được nối bằng dây cáp từ một máy bay ném bom. Không lực Mỹ đã tìm cách cho nó hoạt động, nhưng cho rằng nó không thiết thực. Một chiếc P-38J khác cũng được gắn thử nghiệm bộ càng đáp trượt tuyết thu vào được, nhưng ý tưởng này chưa từng được đưa ra hoạt động.

Sau chiến tranh, một chiếc P-38L được thử nghiệm trang bị ba súng máy 15,2 mm (0,6 in). Cỡ đạn 15,2 mm được phát triển vào đầu chiến tranh cho một kiểu súng trường chống tăng dành cho bộ binh, một loại vũ khí được nhiều nước phát triển trong thập niên 1930 khi các kiểu xe tăng thường nhẹ. Nhưng đến năm 1942, ý tưởng đối đầu với xe tăng bằng một kiểu súng trường cỡ nòng lớn bị xem là "lạc hậu" hay thậm chí là "tự sát". Chương trình không bị hủy bỏ, và người Mỹ tiếp tục thiết kế một kiểu cải tiến từ kiểu pháo tự động Đức MG 151 15 mm trang bị cho máy bay và đặt tên là "T17," nhưng cho dù 300 súng và 6 triệu viên đạn 15,2 mm được chế tạo, họ không thể giải quyết triệt để các lỗi, nên súng máy T17 không bao giờ được đưa ra sử dụng. Cỡ đạn được "nâng cấp" cho vừa các đầu đạn 20 mm và trở thành cỡ đạn tiêu chuẩn của Mỹ sau chiến tranh. Chiếc P-38L trang bị T17 chỉ là những thử nghiệm thất bại và không phát triển tiếp.

Một chiếc P-38L khác được cải tiến sau chiến tranh thành một kiểu máy bay "siêu tiến công" với tám súng máy 12,7 mm trước mũi và một cụm hai súng máy 12,7 mm gắn trên mỗi cánh, nâng lên tổng cộng 12 súng máy. Không có chiếc nào được sản xuất thật sự.

Một chiếc P-38L khác được cải tiến bởi Hindustan Aeronautics tại Ấn Độ như là kiểu máy bay chở nhanh khách quan trọng (VIP), với chỗ ngồi thoải mái trong khoang có bọc da, các tiện nghi giải khát, và buồng lái kính cung cấp tầm nhìn bao quát.