109F-4 замість МG FF / М монтувався більш скорострільний 15-мм авіакулемет МG 151/15 також був встановлений більш потужний двигун DB 601E (1350 к.с.), також з'явилася 20-мм авіапушку МG 151/20, додатковий бронезахистю Однак з усіма удосконаленням і змінею озброєння, основні зміни в Мессершмітт Bf 109F більшою мірою торкнулися планера літака, що отримав новий зовнішній вигляд, що зберігся до кінця війни з більш досконалої аеродинамікою: поліпшеною формою капота двигуна; збільшеним розміром кока гвинта. У цій моделі радіатори були сильно «втоплені» в крило; законцовки крила стали округленими; зменшилася довжина предкрилков і розмах елеронів; зникли підкоси горизонтального оперення; була доопрацьована геометрія шасі, а хвостове колесо стало наполовину забиратися в фюзеляж. У підсумку, швидкість цієї машини зросла з 570 до 630 км / ч.