Innowacyjnymi rozwiązaniami zastosowanymi po raz pierwszy w samolotach wojskowych był impulsowy radar dopplerowski i szerokie wykorzystanie tytanu do budowy kadłuba.
Mimo pokaźnych rozmiarów i dużej maksymalnej masy startowej, wynoszącej 27 000 kg, F-4 Phantom II mógł osiągać prędkość maksymalną 2,23 Ma oraz prędkość wznoszenia 210 m/s. Krótko po ich wprowadzeniu do służby, na samolotach F-4 Phantom II ustanowiono 16 rekordów świata włącznie z rekordem prędkości wynoszącym 2585,086 km/h i rekordem pułapu wynoszącym 30 040 m. Pięć z ustanowionych w latach 1959–1962 rekordów prędkości zostało niepobitych aż do 1975.
F-4 Phantom II mógł przenosić na dziewięciu węzłach uzbrojenia pod kadłubem i skrzydłami do 8480 kg uzbrojenia w postaci kierowanych i niekierowanych pocisków rakietowych do niszczenia celów powietrznych i naziemnych, oraz broni jądrowej. Po wprowadzeniu do służby przeznaczonego do walk na krótkich dystansach myśliwca Chance-Vought F-8 Crusader, którego podstawowym uzbrojeniem były działka 20 mm Colt Mk 12, zdecydowano, że zgodnie z ówczesną tendencją F-4 Phantom II jako myśliwiec przechwytujący będzie uzbrojony jedynie w pociski rakietowe i pozbawiony uzbrojenia strzeleckiego.