Самолеты P-47D-3-RA имели весьма существенные доработки по кислородной и топливной системам, всего построено 100 машин с заводскими номерами 42-22564 — 42-22663.
Близкими к P-47D-3-RA являлись самолеты P-47D-4-RA, оснащенные системой впрыска воды в цилиндры двигателя. Всего построено 200 самолетов с заводскими номерами 42-22664 — 42-22863.
На модификации P-47D-5-RE (300 построенных истребителей с заводскими номерами 42-8401 — 42-8702) были внедрены две важных новинки, в значительной степени повысивших боевую эффективность «Тандерболта». Увеличение мощности двигателя осуществлялось в основном путем повышения давления смеси в цилиндрах. На P-47D-5-RE был установлен турбонагнетатель С-21, способным работать при 20 000 об/мин, но из-за недостаточного охлаждения частота вращения ограничивалась величиной 18250 об/ мин. Впрыск воды в цилиндры предупреждал возможную детонацию смеси и улучшал охлаждение головок цилиндров. Бак для воды емкостью 57 л монтировался в отсеке агрегатов двигателя, в воду добавлялись антикоррозионные присадки и метиловый спирт, предотвращавший замерзание воды. Насос для подачи воды имел привод от двигателя. Впервые массовый американский самолет получил систему впрыска воды в цилиндры двигателя. Более глубоко, чем на P-47D-2-RE модернизировали топливную и кислородную системы. Боевые самолеты перегонялись из США в Великобританию через Гренландию и Исландию. «Тандерболты» про причине недостаточной дальности летать этим маршрутом не имели возможности. Вообще, лишь «Лайтнинги» с дополнительными внешними баками являлись единственными американскими истребителями, способными самостоятельно пересекать Атлантику с промежуточными посадками в Гренландии и Исландии. Доставка «Тандерболтов» в Европу началась в конце ноября 1942 г. Истребители перевозили в частично разобранном виде на палубах и в ангарах авианосцев, а также на палубах танкеров. P-47D-5 стал первым «Тандерболтом», на котором была предусмотрена возможность подвески под фюзеляжем сбрасываемого топливного бака или авиабомбы массой до 454 кг.
Теоретически P-47D-5 отличались от самолетов предшествующих модификаций более выпуклым «брюхом» в месте подвеске подфюзеляжного топливного бака, но далеко не на всех «D-5» в заводских условиях монтировались пилоны и усиленная балка фюзеляжа. С другой стороны, в полевых условиях множество Р-47С и P-47D прошли доработку, позволяющую нести внешнюю нагрузку под фюзеляжем, более того — на них ставили систему впрыска воды в двигатель и новые воздушные винты, дорабатывая самолеты до уровня стандартного Р-47D-5. Фактически единственным достоверным способом идентификации истребителей P-47D-5 является идентификация по заводскому номеру. Последний построенный на заводе P-47D-5 имел заводской номер 43-22563, на этом самолете был опробован каплеобразный фонарь кабины.