Уроки Индокитая способствовали интенсификации этапов летных испытаний, связанных с вооружением самолета. В ВВС по программе испытаний оружия летало три прототипа - пятый, седьмой и десятый. На пятом прототипе с конца 1965 г. отрабатывалась установка пушки Дженерал Электрик М-60 «Вулкан». Пушка с боекомплектом в 2000 снарядов размещалась в стандартном внутреннем отсеке вооружения. В ходе испытания производился отстрел пушки длинными очередями (продолжительность очереди до 20 с) по наземным целям с пикирования под углами 10-25°. Заказчики из ВВС оценили результаты стрельб как «превосходные». С середины 1967 г. на седьмом прототипе исследовался процесс сброса свободнопадающих бомб. Самолет оснащался кино- и фотоаппаратурой для фиксации процесса отделения боевой нагрузки на различных режимах полета. В 1967 г. на пятом и десятом прототипе отрабатывались режимы автоматического бомбометания по данным системы управления оружия.

Многочисленные доработки, внесенные в конструкцию по результатам испытаний, как уже говорилось, были внедрены в конструкцию двенадцатого прототипа. На нем увеличили длину фюзеляжа, площадь сечения воздухозаборников, на 1800 кг удалось снизить массу пустого самолета. Впервые на двенадцатом прототипе была установлена спасательная кабина/капсула .

Облегчение машины далось непросто - даже «старый» прототип не прошел статических испытаний на прочность (проводились в Сан-Диего лабораторией отделения Конвэр фирмы Дженерал Дайнемикс): узел, несущий поворотные части крыла разрушился при 80% расчетной нагрузки.

Поворотный узел стал одним из самых «узких» мест конструкции. В 1968 г. на ресурсных испытаниях узел отработал с сохранением заданной прочности всего половину положенного времени. Расчет на прочность был выполнен с более чем приблизительным учетом знакопеременных нагрузок от поворота плоскостей крыла. Пришлось проектировать новую балку с шарнирами. Между тем в 1968 г. уже началось серийное производство самолетов. Замена силовых узлов механизма поворота крыльев на всем парке F-111 обошлась американским налогоплательщикам в 100 млн. долл.

Недостаточно полные исследования нагрузок, действующих на шарниры поворотной части крыла привели в конечном итоге к катастрофе 22 декабря 1969 г. - в полете оторвалась правая плоскость крыла. Сначала полагали, что летчик не сумел вывести машину из пологого пикирования после захода на цель при выполнении учебного бомбометания. Изучение обломков позволило установить истинную причину - разрушение шарнира поворотной части крыла. Оба пилота погибли. Это была 16-я катастрофа самолета. Катастрофа, наиболее сильно ударившая по репутации машины, практически перечеркнула планы по экспорту F-111. Министерство обороны запретило полеты всего парка F-111-х (на тот момент 232 самолета). Возобновились полеты только в феврале 1970 г. Проверочные испытания всех самолетов F-111 и FB-111, находящихся на вооружении ВВС США, завершились 1 августа 1971 г. Во время испытаний произошло два существенных разрушения. В одном случае при 88% от максимальной нагрузки сломались опоры оси левой консоли стабилизатора, во втором - при 57,5% нагрузке от максимальной разрушилась нижняя пластина кессона крыла.

В конце 1966 г. самолет впервые выполнил сверхзвуковой полет на высоте порядка 300 м в режиме следования рельефу местности. Полеты на испытание системы следования рельефу местности проводились в гористой местности к северу от авиабазы Эдвардс и над штатом Невада. Вообще, основной объем летных испытаний был выполнен в зонах, закрепленных за базой Эдварде, только климатические испытания проводились на Аляске, в Панаме, Аризоне и Неваде.

В мае 1967 г. два самолета (19-й и 20-й) совершили демонстрационный перелет с базы Лоринг, шт. Мэн через Атлантику для участия в Парижском авиасалоне. Полет проходил без дозаправки в воздухе и без подвесных топливных баков, однако на маршруте пару F-111A все-таки страховал танкер КС-135А. Самолет № 19, «стандартный» F-111A совершил посадку в Англии на аэродроме Уэзерфилд. Здесь его осмотрело командование ВВС Ее Величества. «Двадцатка» приземлилась в Ле-Бурже. Это был «гибридный» самолет с крылом увеличенного размаха от бомбардировщика FB-111. Полет по маршруту Лоринг - Париж занял 5 ч 55 мин, включая 25 мин. ожидания в зоне разрешения на посадку. Машина демонстрировалась на стоянке в период проведения очередного Парижского авиасалона. В показах принимали участие оба самолета. F-111A № 19 прилетал из Британии, но в статической экспозиции он так и не появился. Первый в мире серийный самолет с изменяемой стреловидностью крыла вызвал неподдельный интерес у авиационных специалистов всего мира. Главный конструктор многих самолетов КБ Сухого Олег Сергеевич Самойлович в своих воспоминаниях писал, как он детально фотографировал F-111. Не он один. Если покопаться в архивах ОНТИ ЦАГИ, то можно обнаружить фотоальбом по F-111, отснятый тогда же в Ле-Бурже.