Технический отдел RLM поручил фирме Юнкерс проведение соответствующих конструкторских работ, дающих возможность «штуке» нести большую бомбовую нагрузку, увеличить дальность и скорость полета, повысить эффективность оборонительного вооружения. Ключом к такой модификации было улучшение аэродинамики и использование нового двигателя повышенной мощности. Работы над новой версией Ju 87 начались весной 1940, а в мае она получила обозначение Ju 87 D (D как Дора). Первый полет прототипа Ju 87 V21, заводской номер (Werk Nummer, W. Nr., 0870536), планировался на декабрь этого года, однако проблемы с двигателем Jumo 211 F сделали невозможным его установку и полетные испытания. В это самое время конструктор самолета инженер Герман Польман покинул фирму Юнкере и перешел работать в фирму Блом и Фосс в Гамбурге. Казалось, что Ju 87 достиг верхнего потолка своих возможностей и даже вновь проектируемая версия D будет только временным, переходным типом перед появлением совершенно новой конструкции. К счастью, кроме недовведенного мотора Jumo 211 F на заводах Юнкерса разработали другой двигатель — Jumo 211 J-1, двенадцатицилиндровый, с жидкостным охлаждением, мощностью 1400 л.с. Его и установили на прототипе Ju 87 V21 и на вновь построенных Ju 87 V22 (W. Nr. 0540) и Ju 87 V23 (W. Nr. 0542). В мае 1941 в Испытательном центре в Рехлине проведены всесторонние пробы Ju 87 V23, которые дали хорошие результаты.
Следующим прототипом версии D стал Ju 87 V24 (W. Nr. 0544), а затем появился Ju 87 V25 (W. Nr. 0538), послужившим для испытаний тропического оснащения. Удачно завершившиеся пробы привели к заказу 6 июня 1941 первой серии самолетов Ju 87 D-1 на заводах Бремен-Лемвердер. Впоследствии версия D стала самой многочисленной среди всех вариантов «штуки». Ju 87 D-1 был разработан на базе версии В, однако отличался от ранних машин совершенно новыми очертаниями передней части фюзеляжа. Из-за использования другого двигателя изменилась система охлаждения. Маслорадиатор перенесли в нижнюю часть капота, а два радиатора охлаждающей жидкости разместили под крыльями, в местах примыкания задних кромок к центроплану.
В позднейших выпусках модернизированы также способы подвески колес и амортизации стоек основного шасси. Изменилась и форма обтекателей колес, а телескопическое соединение верхней и нижней части обтекателей стоек, ранее часто повреждавшееся, заменили кожаными манжетами. Двойные подкосы, поддерживающие горизонтальное оперение, получили профилированные кожухи из алюминиевого листа. Радиополукомпас Peil G IV перенесли из нижней части фюзеляжа, где он подвергался риску повреждения при приземлении; на верхнюю часть, сразу за кабиной стрелка-радиста; при этом он получил прозрачное прикрытие из плексигласа. В качестве лобового стекла фонаря кабины применено бронестекло толщиной 50 мм. Самолет получил новое оборонительное вооружение, состоящее из спаренного пулемета Маузер MG 81 Z калибра 7,92 мм, смонтированном на бронированном лафете GSL-K 81 Z, с боезапасом 2000 патронов. Подфюзеляжный бомбодержатель 2000/XII теоретически позволял подвешивать осколочную бомбу SC 1800 массой 1800 кг (практически подвешивались бомбы массой 250 или 500 кг на держателях 500/XIIс, смонтированные вместе с бомбодержателем 2000/XII на общей платформе 1000/5000/IXb). Помимо увеличения бомбовой нагрузки, возросли максимальная скорость, с 380 до 410 км/час, и дальность, с 600 км у варианта В-2 до 1530 км у D-1.