F-35A — самолёт для ВВС США, самая технологически простая и, соответственно, облегченная и дешевая версия F-35. Именно она составит основу закупок странами-партнёрами и ожидаемого массового экспорта. Оснащен встроенной четырёхствольной 25-мм пушкой GAU-22/A.
F-35B — самолёт для Корпуса морской пехоты США и Королевского флота Великобритании. Главная отличительная черта — возможность укороченного взлёта и вертикальной посадки. Оснащается подвесным контейнером с 25-мм пушкой GAU-22/A. В будущем должен составить основу авиагрупп новых УДК типа «Америка», по сути представляющих собой лёгкие авианосцы с ограниченными возможностями для высадки десанта и значительно расширенными, по сравнению с кораблями прошлого поколения «Уосп», возможностями авиагруппы. Также планируется базирование на авианосцах Великобритании класса «Куин Элизабет» и итальянском авианосце «Кавур».
F-35C — самолёт для ВМС США. Вариант имеет увеличенную площадь крыла и хвостового оперения, позволяющего маневрировать на небольших скоростях при полётах с авианосцев. Крыло большего размера позволяет также увеличить полезную нагрузку. Добавлен посадочный крюк. По сравнению с F/A-18C, F-35C будет иметь вдвое больший боевой радиус действия. В октябре 2010 года премьер-министр Великобритании Дэвид Кэмерон объявил о решении предпочесть для вооружения строящихся авианосцев Королевского флота Великобритании вместо F-35B версию с катапультным взлётом. Как причины были названы «большие боевые возможности и большая дальность полёта при меньшей цене», но 9 мая 2012 года было объявлено о решении вернуться к планам закупки F-35B. Основной причиной этого решения было нежелание нести крупные расходы (около 3 млрд долларов) на модернизацию авианосцев.