Самолет Р-51D стал самой многочисленной модификацией «Мустанга». Всего на заводе в Инглвуде собрали 6502 машины P-51D, еще 1454 машины собрали в Далласе. Кроме того, в Далласе построили 1337 «Мустангов» Р-51К. От машин типа D, P-51K отличались четырехлопастным винтом Aeroproducts диаметром 3,35 м вместо использовавшегося Hamilton Standard диаметром 3,35 м. Поздние серии Р-51D и все Р-51К получили дополнительный стабилизатор перед килем, чтобы поправить несколько ухудшившуюся после переделки задней части фюзеляжа поперечную устойчивость. Можно было предположить, что минимальные изменения в конструкции самолета не приведут к каким-либо неприятным неожиданностям. Но все вышло иначе. В ходе эксплуатации самолетов Р-51D первых производственных серий было отмечено несколько случаев отрыва концов крыла в пикировании. В одной из таких катастроф погиб давний энтузиаст «Мустангов», полковник Томас Хичкок. Модификация P-51D имела увеличенную скорость пикирования, что в сочетании с недостаточно прочной обшивкой крыла в районе размещения боекомплекта приводило к разрушению конструкции при стремительном пикировании. После того, как обшивку на слабом участке усилили, катастрофы прекратились. Все самолеты, уже находившиеся в частях, также прошли переделку в течение едва ли одной недели.
Ha P-51D-5 установили двигатели V-1650-7 стартовой мощностью 1490 л.с. Двигатель допускал кратковременное форсирование до 1505 л.с. на высоте 6000 м. Емкость внутренних топливных баков составляла 1020 л. Самолеты могли нести под крыльями подвесные баки емкостью 284 или 417 л, или баки емкостью 409 л английского производства. Боекомплект внутренних пулеметов составлял 500 выстрелов на ствол, у четырех остальных пулеметов — 270 выстрелов на ствол. Вместо наружных баков можно было подвесить две 227-кг бомбы. Начиная с серии P-51D-20 «Мустанги» могли нести под крыльями десять неуправляемых ракет калибра 127 мм. Масса пустого самолета составляла 3228 кг, максимальный взлетный вес — 5255 кг.
Максимальная скорость при массе 4575 кг составляла 635 км/ч на уровне моря, 664 км/ч на высоте 4600 м и 703 км/ч на высоте 7625 м. Практический потолок P-51D-5 достигал 12780 м. Радиус действия 523 км без подвесных баков и 1207 км с двумя 409-литровыми баками. Таким образом, самолет мог действовать в любой точке европейского ТВД. Максимальная дальность полета при перебазировании достигала 3700 км. Для этого самолет брал запас топлива объемом 1854 л и летел с экономической скоростью 394 км/ч. С двумя 227-кг бомбами на скорости 582 км/ч самолет пролетал 1528 км. Впечатляла и максимальная скорость пикирования P-51D-5 — 812 км/ч, она была больше чем у любого другого американского истребителя того времени. Для примера, у P-38J-15 «Lightning» скорость пикирования ограничивалась 740 км/ч.
Сравнительные данные выпускавшихся в то время истребителей приведены в таблице.