Uzbrojenie do atakowania celów naziemnych mogło być instalowane na węzłach podskrzydłowych i podkadłubowych za wnękami na pociski Sparrow, ale nie przewidziano instalowania w kadłubie żadnego uzbrojenia strzeleckiego. Przez dwa lata trwały prace w biurze do spraw aeronautyki i wydziale do spraw uzbrojenia lotniczego marynarki, ale ostatecznie F-4 Phantom został zaakceptowany w prawie identycznej postaci jak zaproponowana przez McDonnella.
Prototyp XF4H-1 Pierwsza maszyna prototypowa oznaczona jako XF4H-1 została zaprojektowana do przenoszenia czterech częściowo ukrytych w kadłubie naprowadzanych radarowo pocisków AAM-N-6 Sparrow III i napędzana dwoma silnikami General Electric J79-GE-8. Tak samo jak we wcześniejszym projekcie McDonnella F-101 Voodoo, jednostki napędowe zainstalowano w dolnej części kadłuba, aby maksymalnie wykorzystać przestrzeń w jego wnętrzu do pomieszczenia zbiorników paliwa. Na krawędziach spływu wewnętrznej części skrzydeł o skosie 45° zastosowano klapy strumieniowe poprawiające sterowność przy małych prędkościach.