Hợp đồng sản xuất F-5A đầu tiên được thực hiện vào năm 1962, những đơn đặt hàng đầu tiên của các nước khác bắt đầu từ Không quân Hoàng gia Na Uy vào tháng 2-1964. Đã có 636 chiếc F-5A được chế tạo cho đến khi việc sản xuất kết thúc vào năm 1972. Đi cùng với đó là 200 chiếc F-5B hai chỗ. Chúng được sử dụng để làm máy bay huấn luyện.

Không quân Hoa Kỳ đã đánh giá khả năng không chiến của F-5A trong chương trình Skoshi Tiger vào năm 1965. 12 chiếc đã được cung cấp để thử nghiệm trong Không đoàn Tiêm kích Chiến thuật 4503 (sau này là Phi đội Tiêm kích Biệt kích 10 - FCS 10) với tên gọi chỉ định là F-5C. Những máy bay này đã tham gia chiến đấu tại các nhiệm vụ trong Chiến tranh Việt Nam, chúng thực hiện khoảng 3.500 lần xuất kích từ sân bay quân sự tại Biên Hòa, miền Nam Việt Nam đây là các máy bay thuộc Không đoàn Tiêm kích Chiến thuật số 3. Hai chiếc đã mất trong không chiến. Chương trình này đã không tồn tại lâu, nó giống như một cử chỉ chính trị hơn là sự cân nhắc nghiêm túc của chính phủ Mỹ.

Sau chương trình đánh giá Skoshi Tiger, Không quân Philippines đã mua 23 chiếc gồm các mẫu F-5A và F-5B vào năm 1965. Những máy bay này cùng với những chiếc F-8 Crusader đã thay thế những chiếc F-86 Sabre trong vai trò phòng không và tấn công mặt đất.

Những chiếc F-5C thuộc FCS 10 còn lại sau đó được chuyển cho Không quân Việt Nam Cộng hòa cho vai trò tấn công mặt đất, trước đó chỉ có A-37 Dragonfly và A-1 Skyraider thực hiện vai trò này. Tổng thống của Việt Nam Cộng hòa đã yêu cầu trang bị những chiếc F-4 Phantom II nhưng bị Mỹ từ chối, không quân Việt Nam Cộng hòa chủ yếu thực hiện các nhiệm vụ hỗ trợ mặt đất chống lại lực lượng vũ trang thuộc Quân Giải phóng Miền Nam Việt Nam (không có các máy bay vũ trang tham chiến tại Nam Việt Nam như MiG hay các loại khác). Điều hài hước là khi phi công Nguyễn Thành Trung, một điệp viên của Cộng hòa Miền Nam Việt Nam, thực hiện đảo ngũ, đã lái một chiếc F-5E ném bom Dinh Độc Lập vào ngày 8 tháng 4 năm 1975.

Những chiếc F-5 này sau chiến tranh Việt Nam còn được sử dụng trong Chiến tranh Biên giới Tây-Nam chống lại quân Khmer Đỏ. Nhìn vào một số góc độ về kích thước và khả năng cơ động của F-5, nó có thể sẽ là một đối thủ đối với MiG-21 có cùng kích thước trong không chiến; tuy nhiên, học thuyết quân sự của Mỹ lại chú trọng đến các máy bay tầm xa, hạng nặng và nhanh hơn như F-105 Thunderchief và F-4 Phantom II để tham chiến tại Miền Bắc Việt Nam. Một vài chiếc F-5 là hàng tồn kho từ Chiến tranh Việt Nam đã được gửi cho Ba Lan và Nga, phục vụ mục đích nghiên cứu công nghệ hàng không của Mỹ [5], trong khi những chiếc khác đã rút khỏi hoạt động và trưng bày trong các bảo tàng tại Việt Nam.

Trong xung đột Việt Nam-Thái Lan dọc theo biên giới Campuchia giai đoạn 1982-1988, một số nguồn cho biết F-5 của Thái Lan đã bắn hạ 1 chiếc máy bay vận tải An-26 của Việt Nam. Trong các cuộc không chiến sau đó giữa F-5 của Thái Lan và MiG-21 của Việt Nam, 7 chiếc F-5 của Thái Lan đã bị bắn hạ trong khi Việt Nam không có tổn thất.

Vài chiếc F-5 và F-5E dư thừa đã được bán cho các nhà sưu tập tư nhân.

F-5E/F Tiger II

Vào năm 1970, hãng Northrop đã chiến thắng trong một cuộc cạnh tranh nhằm giành hợp đồng cải tiến Máy bay Tiêm kích Quốc tế (IFA) nằm thay thế những chiếc F-5A. Và kết quả là một mẫu máy bay cải tiến mang tên ban đầu là F-5A-21, sau này trở thành F-5E. Nó lớn hơn và dài hơn, diện tích cánh được làm tăng lên và hệ thống điện tử hàng không tinh vi hơn, lúc đầu nó được lắp radar Emerson AN/APQ-153 (F-5 A/B không có radar). Có vài cấu hình điện tử hàng không khác nhau phù hợp với từng yêu cầu của các khách hàng nước ngoài. Một phiên bản huấn luyện hai chỗ có khả năng chiến đấu cũng được chế tạo mang tên F-5F. Không giống như F-5B không được trang bị các khẩu pháo, F-5F giữ lại một khẩu pháo M39 ở phần mũi, mặc dù số lượng đạn có giảm xuống. F-5F trang bị radar Emerson AN/APQ-157, đây là một sản phẩm phát triển từ AN/APQ-153, với hệ thống điều khiển kép và màn hình hiển thị cho hai phi công trên máy bay, và radar này có tầm hoạt động tương đương với AN/APQ-153, khoảng 10 hải lý. Một phiên bản trinh sát mang tên RF-5E Tigereye, với khối cảm biến ở mũi thay thế cho radar và khẩu pháo cũng được chế tạo.

Những chiếc F-5 gần đây đã được nâng cấp radar thành loại Emerson AN/APG-69, là radar kế vị của AN/APQ-159, nó trang bị khả năng vẽ bản đồ, tuy nhiên, đa số quốc gia lại quyết định không nâng cấp vì lý do tài chính, và radar này chỉ hoạt động rất giới hạn trong các phi đội đóng giả máy bay địch của Không quân Mỹ và Không quân Thụy Sĩ.

F-5E dần dần mang cái tên không chính thức là Tiger II. F-5E trải qua nhiều chương trình nâng cấp trong thời gian hoạt động, và cải tiến có giá trị lớn nhất là trang bị radar mảng hai chiều Emerson AN/APQ-159 với tầm hoạt động khoảng 20 hải lý, thay thế cho radar AN/APQ-153. Những chương trình nâng cấp radar tương tự cũng được dự định thực hiện trên F-5F, với những radar bắt nguồn từ AN/APQ-159 là AN/APQ-167, thay thế radar AN/APQ-157, nhưng nó chưa vào giờ được thực hiện.

Hãng Northrop đã chế tạo 792 chiếc F-5E, 140 chiếc F-5F và 12 chiếc RF-5E. Ngoài ra các nước khác cũng sản xuất F-5 theo giấy phép nhượng quyền sản xuất, Malaysia đã chế tạo chiếc 56 F-5E/F cộng 5 chiếc RF-5E, họ đang có kế hoạch bán những máy bay này sau khi nâng cấp chúng; Thụy Sĩ đã chế tạo 90 chiếc F-5E/F, hiện nay chúng đang hoạt động tại Áo theo dạng cho mượn, nhằm lấp chỗ trống trong khi phi đội Saab Draken ngừng hoạt động và những máy bay Eurofighter Typhoon chưa được cung cấp; Hàn Quốc chế tạo 68 chiếc; và Đài Loan chế tạo 308 chiếc.

Những phiên bản F-5 khác vẫn còn đang tiếp tục hoạt động trong không quân rất nhiều quốc gia. Singapore đã có xấp xỉ 49 chiếc F-5 hiện đại hóa có tên F-5S (một chỗ) và F-5T (hai chỗ). Việc nâng cấp bao gồm radar GRIFO mới, nâng cấp buồng lái với màn hình hiển thị đa chức năng và khả năng tương thích với tên lửa không đối không Rafael Python và AIM-120 AMRAAM.

Những chương trình nâng cấp tương tự đã được thực hiện tại Chile và Brasil với sự giúp đỡ của Elbit. F-5 nâng cấp của Chile có tên gọi F-5 Plus, trang bị radar Elta 2032 mới và những cải tiến khác. Chương trình F-5 của Brazil với tên gọi F-5M (Modernized - Hiện đại hóa), trang bị tên lửa Python V kết hợp với hệ thống hiển thị trên mũ DASH và radar GRIFO mới, những màn hình hiển thị trong buồng lái mới và hệ thống dẫn đường điện tử. F-5M của Brazil cũng được trang bị tên lửa Derby của Israel và có thể hoạt động trong môi trường BVR (ngoài tầm nhìn của phi công). Trong cuộc tập trận đa quốc gia Cruzex 2006, F-5M có tỷ lệ bắn hạ ba chiếc Dassault Mirage 2000 khi sử dụng tên lửa Derby, với sự hỗ trợ của máy bay AEW Embraer R-99 trang bị radar AESA, nó đã cung cấp thông tin cho F-5M bằng đường truyền liên kết dữ liệu.[6]

Những chương trình nâng cấp F-5 khác cũng được thực hiện trong Không quân Hoàng gia Thái Lan bởi Israel với tên gọi F-5T Tigris, nó được trang bị tên lửa Python 3 và 4 (với hệ thống tín hiệu hiển thị trên mũ phi công DASH). Không giống như những chiếc F-5 khác đã qua cải tiến, những chiếc F-5T của Thái Lan không sử dụng tên lửa BVR.

Một chiếc F-5E của NASA đã được sửa đổi hình dạng thân để tham gia vào chương trình Shaped Sonic Boom Demonstration

Hoa Kỳ

Dù Mỹ không sử dụng F-5 cho vai trò máy bay chiến đấu tiền tuyến, nó đã được sử dụng để đóng giả máy bay đối phương (OPFOR) cho vai trò huấn luyện vì kích thước nhỏ và có hiệu suất khá tương đồng với MiG-21 của Liên Xô.

F-5E hoạt động trong Không quân Mỹ từ năm 1975 đến năm 1990, chủ yếu chúng hoạt động trong Phi đội đóng giả máy bay đối phương số 64 và 65 tại Căn cứ không quân Nellis tại Nevada, và trong phi đội đóng giả máy bay đối phương số 527 tại Căn cứ không quân Hoàng gia Anh Alconbury tại Vương quốc Anh và phi đội đóng giả máy bay đối phương số 26 tại Căn cứ không quân Clark tại Philippines. Thủy quân lục chiến Mỹ cũng đã sử dụng những chiếc F-5 cũ từ không quân vào năm 1989 để thay thế những chiếc F-21 của mình. Chúng được biên chế trong phi đội VMFT-401 tại Trạm không lực thủy quân lục chiến Yuma, phi đội F-5 tiếp tục được hiện đại hóa với những chiếc F-5N mua từ Thụy Sĩ. Hải quân Mỹ sử dụng những chiếc F-5E tại Trường huấn luyện vũ khí chiến đấu hải quân tại căn cứ Miramar, trong các phi đội VF-127, VF-43 và VF-45. Hiện nay, chỉ có duy nhất phi đội VFC-13 của hải quân sử dụng F-5 tại căn cứ Fallon, Nevada và phi đội VFC-111 tại căn cứ Key West, Florida.