С октября 1939-го по май 1940 года было изготовлено 229 машин модификации D, на которых вновь появились ломаная лобовая плита корпуса и курсовой пулемет с дополнительной прямоугольной бронировкой. Изменилась конструкция маски спаренной установки пушки и пулемета, башенный эвакуационный люк стал одностворчатым. Толщина бортовой брони корпуса и башни возросла до 20 мм.

В 1940–1941 годах лобовую броню корпуса усилили 20-мм листами. Танки Ausf D поздних выпусков имели дополнительные вентиляционные отверстия в моторном отделении. В апреле 1940 года 10 машин серии D переделали в мостоукладчики.

В 1941 году один танк Ausf.D в опытном порядке вооружили 50-мм пушкой KwK 39 с длиной ствола 60 калибров. Планировалось перевооружить таким образом все машины этой модификации, однако зимой 1942-го предпочтение было отдано варианту F2 с 75-мм длинноствольной пушкой. В 1942- 1943 годах некоторое количество танков PzKpfw IV Ausf D в ходе капитального ремонта получили такие пушки. В феврале 1942 года два танка переоборудовали в самоходные установки, вооруженные 105-мм гаубицами К18.