Сохранились две крыльевые 20-мм пушки. Это были MG FF/M, которые могли стрелять фугасными снарядами, называемыми Minen- Geschosspatronen (букв, «мины-снаряды»). Такие снаряды обладали лучшей пробивной способностью, а их тонкостенный металлический корпус вмещал большее количество взрывчатого вещества. Боекомплект остался прежним – 60 снарядов на ствол.
Изменения коснулись также двигателя. Если первые Bf 109Е-4 оснащались моторами DB 601 А, то в середине 1940 г. на них стали устанавливать новые двигатели DB 601 N. Повышение степени сжатия на 15% позволило увеличить взлетную мощность двигателя до 1 200 л. с., а также получить прирост 50 л. с. на высоте. Такого результата добились, заменив вогнутые поршни плоскими.
Внешне DB 601 N ничем не отличался от DB 601 А, но он работал на бензине СЗ с более высоким октановым числом, 96 или 1 00 (вместо 87-октанового В4). На это указывала цифра в маленьком желтом или белом треугольнике (маркировка наносилась на фюзеляж позади кабины пилота снизу от лючка топливного бака). Самолеты, оснащенные мотором DB 601N, получили обозначение Bf 109E-4/N.
Успешное применение Bf 109Е-1, которые могли нести бомбы, подвешенные под фюзеляжем, способствовало появлению более мощного истребителя-бомбардировщика Bf 109Е-4/В. В этом варианте самолет оснащался бомбодержателем ЕТС 500 или ЕТС 50, что позволяло взять одну 250-кг бомбу или четыре 50-кг бомбы. Для управления сбросом бомб истребители-бомбардировщики дополнительно оборудовались небольшим пультом под приборной доской.
Первые истребители-бомбардировщики Bf 109Е-4/В поступили в Erprobungsgruppe 210 (проводившую испытания Me 210), а также в ll.(Schlacht)/LG 2. С июля 1940 г. они стали использоваться в боевых действиях против Англии.
В феврале 1941 г. начались операции Люфтваффе в северной Африке. Это заставило инженеров приспособить самолет к условиям пустыни. На самолет установили тропический фильтр, чтобы уберечь двигатель от попадания в него песка и предотвратить его преждевременный износ. В апреле 1941 г. модифицированные машины, получившие обозначение Bf 1 04Е-4/Trop, прибыли вместе с личным составом I./JG 27 в Айн аль-Газалу в Ливии.
Следующими модификациями стали Bf 109Е-5 и Е-6, которые использовались в качестве разведчиков. Первый, еще со старым двигателем DB 601А и фонарем от Е-4, не нес крыльевых пушек и был оборудован фотокамерой Rb 21 /1 8 с электроприводом. На второй установили двигатель DB 601N и новую камеру Rb 50/30.
Появившийся в августе 1940 г. Messerschmitt Bf 109Е-7 представлял вариант дальнего истребителя. Вместо 250-кг бомбы он мог нести под фюзеляжем 300-л подвесной топливный бак. Новый самолет унаследовал двигатель DB 601N и фонарь кабины от Bf 109Е-4, но внешне отличался от предшественника коком винта заостренной формы, уже без отверстия для пушки. Самолет использовался также в качестве истребителя-бомбардировщика (Bf 109Е-7/В). В I./JG 27 поставлялись машины в тропическом варианте (Bf 109Е-7/Trop), со специальным фильтром.