F-4 Phantom memasuki perkhidmatan Tentera Laut A.S dalam tahun 1960 sebagai pesawat pejuang pertahanan armada. Kemudian diikuti dengan perkhidmatan dengan Tentera Udara A.S pada tahun 1963 dalam peranan pejuang-pengebom. Apabila pengeluarannya dihentikan dalam tahun 1981, sebanyak 5,195 buah pesawat F-4 Phantom telah dibina, menjadikannya pesawat supersonik buatan Amerika yang paling banyak dikeluarkan. Pengeluaran F-4 Phantom berterusan selama 24 tahun. Walaupun pesawat F-4 Phantom besar dan berat dengan berat berlepas maksimum 27,000 kg, tetapi masih boleh mencapai kelajuan Mach 2.23 dan kecepatan naik 12,600 meter seminit (41,000 kaki seminit).

Pesawat F-4 Phantom juga memegang beberapa rekod penerbangan, termasuk rekod kelajuan 2,585 km/jam dan rekod ketinggian 30,040 meter. F-4 Phantom juga boleh membawa persenjataan seberat 8,480 kg yang boleh dipasangkan kepada 9 stesen senjata meliputi peluru berpandu udara ke udara dan peluru berpandu udara ke permukaan, serta pelbagai jenis bom yang dikawal dan tidak dikawal, termasuk bom nuklear. Pada mulanya, F-4 Phantom tidak dipasang dengan meriam sehinggalah pengalaman tempur di dalam Perang Vietnam memaksa pemasanagan sepucuk meriam 20 mm kepada pesawat F-4E Phantom. Pesawat ini juga membawa inovasi menggunakan radar denyutan Doppler.

Penggunaan meluas dengan tentera Amerika Syarikat dan sekutunya serta rupa bentuknya yang ketara, F-4 Phantom menjadi satu ikon Perang Dingin dan memberikan khidmat cemerlang semasa Perang Vietnam dan Konflik Arab-Israel. Pesawat F-4 Phantom merekodkan 393 kemenangan di udara. Selain serangan darat, F-4 Phantom juga menjalankan misi tinjauan taktikal dan misi Wild Weasel. Pesawat F-4 Phantom II juga unik kerana digunakan oleh pasukan pertunjukan udara Thunderbirds (F-4E) dan Blue Angels (F-4G) bermula tahun 1969 dan digunakan selama 6 tahun.

Juruterbang yang terlibat dalam pertempuran udara merasa kekurangan apabila kehabisan peluru berpandu udara ke udara mereka. Peraturan pertempuran pula memerlukan juruterbang merapati pesawat syak untuk dicam secara positif sebelum tindakan menyerang boleh diambil. Selalunya mereka perlu merapati ke jarak yang terlalu dekat sehingga tidak dapat menggunakan peluru berpandu udara ke udara mereka. Dalam masa yang sama, pesawat berenjin piston A1 Skyraider dapat menembak jatuh sekurang-kurangnya 2 buah pesawat MiG-17 dengan menggunakan meriam.