Podczas walk nad Północnym Wietnamem Phantomy dowiodły swej wartości i wkrótce przyjęto je na uzbrojenia USAF jako myśliwce przewagi powietrznej. Duża powierzchnia skrzydeł maszyny oraz mocne silniki pozwalały na uzyskanie osiągów porównywalnych do znacznie mniejszych i zwrotniejszych myśliwców MiG, ale największą przewagę zapewniała asysta oficera pokładowego odpowiedzialnego za wykrywanie i namierzanie maszyn wroga zarówno przy pomocy radaru, jak i wzrokowo.
Ze względu na wykorzystanie przez siły powietrzne wielu krajów i bardzo charakterystyczną sylwetkę F-4 Phantom stał się jedną z najbardziej rozpoznawalnych maszyn zimnej wojny. Wykorzystywane podczas wojny w Wietnamie i konfliktu izraelsko-palestyńskiego Phantomy odniosły 393 zwycięstwa powietrzne i wypełniły bardzo wiele zadań przeciwko celom naziemnym. F-4 Phantom był ostatnim amerykańskim myśliwcem, na którym osiągnięto status asa myśliwskiego w XX wieku. Podczas wojny wietnamskiej USAF i US Navy posiadały po jednej załodze, która mogła się poszczycić zestrzeleniem 5 lub więcej wrogich maszyn podczas walki powietrznej.