Le F-111A vole pour la première fois en . Le premier appareil opérationnel est livré en à la base USAF de Nellis (Nevada). Les modèles A sont utilisés pour le bombardement tactique en Asie du Sud-Est.
Développé pour l'US Navy, le F-111B fut abandonné avant d'entrer en production. Les F-111C sont pilotés par la Royal Australian Air Force.
Le F-111D dispose d'une avionique améliorée avec une meilleure navigation, des systèmes d'armement air-air, et de nouveaux moteurs turbofan. Les F-111D sont utilisés par la 27ᵉ Escadre de Chasseurs de la base USAF de Cannon (Nouveau-Mexique).
Le modèle E a des entrées d'air modifiées pour améliorer la performance du moteur et atteindre des vitesses supérieures à Mach 2,2. La plupart des F-111E sont exploités par la 20ᵉ Escadre de Chasseurs de la Base RAF de Heyford (Angleterre) en soutien à l'OTAN. Des F-111E furent déployés à la base aérienne de Incirlik (Turquie) et utilisés dans l'Opération Tempête du Désert.
En Janvier en , une épaisse couche de nuages gêne la navigation d'un chasseur bombardier F-111 de l'USAF qui vole vers Mobile (Alabama). Au-dessus de la Louisiane, à l'Est de Grand Isle, le pilote pénétre en effet dans une formation nuageuse. Il demande alors au contrôle régional de Houston (Texas) l'autorisation de prendre de l'altitude. Après être sorti des nuages, tout s'annonce bien. Le pilote déclare qu'il va dorénavant voler à vue, la visibilité étant parfaite. On n'en entendra plus jamais parler.
Le F-111F dispose de moteurs turbofan améliorés pour donner aux modèles F-111F 35 % de plus de poussée que les moteurs des F-111A et E précédents. Les systèmes avioniques du modèle F combinent les fonctionnalités des F-111D et E. Le dernier modèle F est livré à l'USAF en . Les modèles F ont été modifés pour transporter le système Pave Tack dans leurs baies d'armement. Ce système offre une capacité améliorée d'acquisition, poursuite et de désignation de cibles au sol de nuit pour envoi par armes guidées par laser, infrarouge et électro-optique.
Le F-111F fit ses preuves au combat au-dessus de la Lybie en puis en Irak en . Bien que le F-111F ait principalement volé de nuit lors de l'Opération Tempête du Désert, les équipages volèrent lors d'une mission notable de jour, utilisant l'Unité de Guidage de Bombe (GBU-15) pour fermer le tube de puit d'huile saboté par l'Irak, permettant à l'huile de s'évacuer dans le Golfe Persique.
Le F-111G est affecté à la 27ᵉ Escadre de Chasseurs de la base USAF de Cannon et est utilisé dans le cadre d'entraînement uniquement. Le modèle G est un modèle FB-111A converti. La conversion a effectué des modifications mineures d'avionique et renforcé l'appareil pour permettre de l'utiliser dans un rôle plus dynamique de chasseur.