Кроме успехов случались и неудачи. Если Белл сумел наладить серийный выпуск продукции, то другие фирмы постоянно срывали сроки поставок. Особенно сильно лихорадило фирмы Colt Patent Firearms и Curtiss Electric. Нехватка воздушных винтов, поставляемых Curtiss, приводила к тому, что с самолетов после приемки их комиссией USAAC снимали винты, чтобы установить их на следующую партию самолетов, готовых к приемным испытаниям. Такая ситуация просуществовала до конца 1941 года. Фирма Colt постоянно срывала поставки 37-мм пушки. Беллу пришлось отказаться от планов ставить эту пушку на очередную модификацию самолета. Подписанный в июне 1941 года контракт на 150 машин P-39D-1 предусматривал вооружить эти самолеты 20-мм пушкой Hispano-Suiza Mk 404 калибра 20 мм и боекомплектом 60 выстрелов. Этот самолет получил заводское обозначение Модель № 14А, которое говорило о родстве этой модификации с неудачным Р-400. Кроме другого калибра пушки, новая модификация отличалась уменьшенной на 0,02 м² площадью крыльев. На самолет устанавливали двигатель V-1710-35(E4). Начиная с середины 1942 года двигатели этой модификации получали так называемый WER (War Emergency Rating), т. е. возможность кратковременного форсирования в боевых условиях. Модификация «-35» позволяла форсировать двигатель до 1490 л.с. в течение пяти минут на высотках более 1300 м (4300 футов). Модификация D-1, как и последовавшая за ней D-2, производилась в условиях огромного дефицита. Для этих самолетов не было альтернативы, самолеты с лучшими характеристиками еще не были готовы к серийному производству. Поэтому USAAC размещало заказы на «Аэрокобры» лишь с целью дождаться, пока появятся более современные машины. Заказ на истребители P-39D-2 был подписан 17 сентября 1941 года. Самолет получил то же вооружение, что и D-1, но был оснащен двигателем V-1710-63(Е6) стартовой мощностью 1325 л.с. Этот двигатель также имел возможность кратковременного форсирования, развивая в течение 5 минут мощность 1590 л.с. на высотах более 750 м (2500 футов). Одновременно изменили передаточное число конечной передачи, увеличив его с 1,8:1 до 2:1. Всего было выпущено 158 машин P-39D-2 (Модель № 14А-1).
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.