На базе P-39D и D-1 были созданы самолеты аэрофоторазведки, обозначенные как D-3 и D-4. Модификация D-3 была выпущена серией 26 штук. На стандартный P-39D в задней части фюзеляжа установили фотокамеры К-24 и К-25. Эти самолеты получили дополнительную бронезащиту масляного и водяного радиаторов. Модификация D-4 (11 машин) имела те же особенности, но выпускалась на базе истребителей D-1.

Все машины типа «D» оснащались системой выхлопа с шестью выхлопными патрубками. На самолете отсутствовала гидравлическая система перезарядки орудия, что было признано за недостаток. Кроме того, бортовое вооружение не имело подогрева, что приводило к частым отказам на высотах более 7500 метров (25000 футов). Из новой конечной передачи часто вытекало масло.

Следующие модификации «Аэрокобры» оказались еще тяжелее. Этот факт все больше и больше беспокоил самого Ларри Белла. В письме, написанном в мае 1942 года на имя генерала Оливера П. Эколза, начальника департамента материально-технического обеспечения, Белл предложил снять с самолета 7,62-мм пулеметы, что позволило бы облегчить машину. Этот шаг он аргументировал неэффективностью простых пулеметов, выявленной в ходе боев в Европе. Белл особо указывал, что англичане повсеместно отказываются от пулеметов, заменяя их 20-мм пушками. В июле 1942 года фирма Bell провела сравнительные испытания самолета P-39D-1 (41-32291) в стандартном и облегченном варианте. Сняв с самолета 7,62-мм пулеметы, кислородное оборудование, бронекожух конечной передачи и четыре из восьми топливных баков, удалось облегчить самолет, первоначально весивший 3528 кг (7779 фунтов), на 584 кг (1287 фунтов). Но всем было ясно, что подобное облегчение машины серьезно снижало ее боевую ценность. Однако летные характеристики самолета, действительно, заметно улучшились. Высоту 1500 м (5000 футов) самолет теперь набирал на 40 секунд быстрее (1 мин 54 сек вместо 2 мин 34 сек), Радиус разворота сократился до 192 м (630 футов) вместо прежних 238 м (780 футов). Скорость сваливания уменьшилась на 13 км/ч (8 миль/ч) до 145 км/ч (90 миль/ч). Несмотря на обнадеживающие результаты, руководство USAAC отказалось от предложения Белла.

В 1941 году на самолетах типа «D» проводились испытания на прочность конструкции. Во время одного из таких испытаний в сентябре 1941 года самолет, пилотированный Бадом Келли, развил в пикировании скорость 805 км/ч. При выходе из пике была отмечена перегрузка 8 g, а самолет едва не развалился в воздухе. От самолета отлетел почти весь левый руль высоты, а также отлетела деталь левого сопряжения крыла с фюзеляжем. С нижней стороны рулей высоты сорвало матерчатую обшивку. На земле выяснилось, что самолет потерял и створку левой ниши главного шасси. При этом перегрузка самолета оказалась заметно меньше предполагаемой. К счастью, сам пилот сумел посадить поврежденную машину без ущерба для себя. Однако в январе 1942 года после переделок самолет смог в полной мере выполнить программу испытаний.

Еще одни попытка оснастить самолет турбонаддувом. Наддув вместе с промежуточным радиатором разместили в гондоле под фюзеляжем. Но испытания показали, что скорость самолета с таким приспособлением упала на 65 км/ч.

По просьбе английской закупочной комиссии, которой руководил Эдвард Коуэн, была предпринята попытки превратить Р-39 в ночной истребитель. Для этого в носовой части фюзеляжа оборудовали вторую кабину, в которой помещался оператор радара. Американские ВВС не заинтересовались проектом и вскоре работы в этой области свернули.

В начале 1942 года американское командование разработало план перебросить в Англию американские авиационные части вместе с самолетами. В рамках так называемого плана BOLERO в Англию через Гренландию и Исландию планировалось перебросить две истребительные группы: 1-ю и 31-ю. 1-я группа была оснащена истребителями Р-38 «Lightning», а 31-я — Р-39 «Airacobra». Перелет должен был проходить отрядами по семь самолетов, в состав каждого отряда входило шесть истребителей и ведущий самолет — бомбардировщик Boeing В-17 из 97-й бомбардировочной группы, также предназначенной для переброски в Англию. Первоначально планировалось завершить переброску до середины марта. Однако из-за задержек с доставкой запасных топливных баков для Р-39 операцию пришлось перенести на конец месяца. Bell Aircraft не теряла времени и провела испытания на максимальную дальность полета. Испытания проводились на машине P-39D-1 (41-38287). На самолет установили дополнительный бак емкостью 600 л (158 галлонов). Самолет совершил беспосадочный перелет по маршруту Ниагара-Фоллз-Нью-Йорк-Бостон-Ниагара-Фоллз. Протяженность трассы составила 2333 км (1450 миль). Оставшегося в баках топлива хватило бы еще на 2688 км (1670 миль). Испытания подтвердили, что самолет готов к трансатлантическому перелету. К сожалению, осуществить план так и не удалось. Ситуация на Тихом океане ухудшилась настолько, что 1 июня 1942 года 1-ю истребительную и 97-ю бомбардировочную группу перебросили на западное побережье США. В результате 31-я истребительная группа лишилась самолетов-навигаторов. Поэтому пилоты группы оставили свои машины в Штатах, и 4 июня 1942 года по морю отправились в Англию. Там они получили «Спитфайры», а в 1944 году пересели на «Мустанги».

Всего было выпущено 923 самолета P-39D всех модификаций.

ХР-39Е — первый прототип.

Второй прототип ХР-39Е. Хвостовое оперение по-другому сопряжено с фюзеляжем.

Уже в начале 1941 года всем стало ясно, что без турбонаддува «Аэрокобра» не сможет удовлетворить требованиям, предъявляемым современным истребителям. В феврале 1941 года в департамент материально-технического обеспечения прибыла группа сотрудников Bell Aircraft Corporation с целью согласовать технические детали двух новых проектов. Первым проектом была новая модификация Р-39, а вторым — совершенно новая машина, позднее получившая известность как ХР-63 «Kingcobra». Модификация Р-39 заключалась, прежде всего, в установке на самолет двигателя V-1430 фирмы Continental или альтернативного двигателя V-1710-47(E9) фирмы Allison, оснащенного двухступенчатым наддувом с механическим приводом. Предполагалось в максимальной степени унифицировать новую модификацию с самолетами серии P-39D. Новый самолет получил обозначение ХР-39Е. Он заметно отличался от предшественников. Контракт на постройку двух прототипов подписали И апреля 1941 года. Первоначально самолет был приспособлен для монтажа любого из двух упомянутых моторов. Но уже в середине 1941 года стало ясно, что двигатель фирмы Continental следует списать со счетов. Поэтому конструкцию самолета приспособили для двигателя Е9. Технические проблемы с доводкой нового, механического турбонаддува заставили оснастить первый прототип старым мотором V-1710-35(E4). В первый раз самолет поднялся в воздух 21 февраля 1942 года. Новый самолет отличался увеличенной на 2,04 м² (22 кв. фута) площадью крыльев, новой формой руля направления с большей хордой, увеличенной на 114 л (30 галлонов) емкостью топливных баков, и вооружением, состоявшим из одной 37-мм пушки и шести 12,7-мм пулеметов. Другие особенности заключались в смещенном назад воздухозаборнике карбюратора, новом профиле основания крыла (NACA 0018 вместо NACA 0015), а также измененной формой крыла с большим размахом. Фюзеляж самолета пришлось удлинить на 53 см (21,3 дюйма), чтобы вместить новый наддув. Большие крылья давали пространство для установки воздухозаборников и воздуховодов для радиаторов, а также позволили разместить в них пулеметы большего калибра. Самолет получил заводское обозначение Модель № 23. То, что ХР-39Е получил новые крылья, а также представление этого проекта совместно с ХР-63, вызвало миф о применении на самолете нового ламинарного профиля. В действительности архивные материалы фирмы Bell однозначно свидетельствуют о том, что единственным проектом с новым ламинарным профилем был ХР-63.Сам же ХР-39Е кроме некоторого внешнего сходства не имел ничего общего со своим младшим братом. Однако ХР-39Е способствовал развитию ХР-63.