Характеристики истребителя значительно повысились с появлением серии Bf 109F. Была существенно улучшена аэродинамика самолета, и он приобрел тот облик, который в общем уже не изменялся до конца войны.
Законцовки крыла стали закругленными, размах предкрылков и элеронов был уменьшен, а хорда элеронов увеличена, чтобы сохранить их эффективность. Площадь руля направления слегка уменьшилась. Хвостовое колесо стало наполовину убираемым. Тоннели подкрыльевых радиаторов были сделаны более узкими, а сами радиаторы – глубже утопленными в крыло. Переделке подверглась носовая часть самолета – капотировка двигателя была изменена, а увеличенный кок винта стал более округлым, что лучше соответствовало обводам капота и уменьшало лобовое сопротивление. Исчезли столь характерные для Bf 109Е подкосы стабилизатора, горизонтальное оперение было усилено и теперь стало свободнонесущим. Также увеличили толщину обшивки стабилизатора. На двигатель установили более мощный нагнетатель, а его воздухозаборник, теперь овальный в сечении, отодвинули от стенки капота, чтобы увеличить давление поступающего воздуха, устранив вредное влияние пограничного слоя. На предсерийные машины Bf 109F-0 еще устанавливали воздухозаборник прямоугольного сечения. Диаметр винта уменьшили на 15 см, при этом увеличили ширину лопасти.
Несомненно, Bf 109F стал самым красивым из всего семейства сто девятых «Мессершмиттов». Его очертания приобрели такую же завершенность, как у Spitfire Mk VIII или IX. Дальнейшее развитие истребителя, появление в ходе войны новых модификаций было сопряжено с постоянным увеличением мощности двигательной установки и усилением вооружения. Это приводило к утяжелению машины, что отрицательно сказывалось на ее маневренности, летных качествах и простоте пилотирования. Таким образом, именно в Bf 109F было воплощено оптимальное сочетание планера, двигателя и вооружения.
Размещение фюзеляжных 7,9-мм пулеметов над двигателем осталось прежним, а две крыльевые пушки MG/FF уступили место центральной, стреляющей через втулку винта пушке Mauser MG 151 (калибром 15 или 20 мм) с большей начальной скоростью снаряда и лучшей скорострельностью. Относительное ослабление огневой мощи приняли сначала довольно прохладно, но некоторые пилоты в своих отчетах утверждали, что такое размещение вооружения значительно повышает концентрацию огня. При этом маневренность «Мессершмитта» также значительно улучшилась.
Работы над новой модификацией велись с начала 1940 г., когда инженеры в Аугсбурге занялись перепроектированием планера под новый более мощный (1350 л. с.) двигатель DB 601 Е. В июле 1940 г. Bf 109F был запущен в серийное производство после постройки четырех прототипов V21, V22, V23 и V24 [