Wstępna seria liczyła 30 maszyn, te samoloty nigdy nie były przeznaczone do walki, dzięki nim wykryto za to kilka wad myśliwca. Pozostałych 36 należało do wersji P-38D. Bazując na raportach z walk w Europie na wiosnę i w lecie 1941 roku, postanowiono wprowadzić w samolocie zmiany, które uczyniłyby go bardziej dostosowanym do walk powietrznych. Postanowiono oznaczyć tak zmodyfikowane maszyny jako P-38D, rezygnując z rozwijania wersji P-38B i P-38C. Nowa wersja, P-38D, w porównaniu do P-38, miała niskociśnieniową instalację tlenową, samouszczelniające zbiorniki paliwa, chowane światła do lądowania, na wiatrochronie zamontowano lusterko do obserwacji do tyłu, w aerodynamicznej osłonie. Zastosowano też zamiast działka Oldsmobile działko Madsen kal. 23 mm. Zmieniono też konstrukcję ogona i rozłożenie mas, co z kolei zmniejszyło tendencję do drgań i poprawiło własności samolotu. Pierwotnie planowano nazwać tę wersję i następne jako P-38 „Atlanta”, ale ostatecznie nadano im nazwę „Lightning”. Ta wersja również nie wzięła udziału w walkach, ponieważ uznano, że pomimo tych zmian nie nadaje się do walki. Zbudowano łącznie 66 egzemplarzy P-38. W 1942 roku oznaczenia wersji P-38 i P-38D zmieniono na RP-38 i RP-38D.