Pz.IV Ausf.F появился в результате анализа боевого применения машин предыдущих вариантов в Польше и Франции. Вновь возросла толщина брони: лоб корпуса и башни — до 50 мм, борта — до 30. Одностворчатые дверцы в бортах башни заменили на двустворчатые, лобовой лист корпуса опять стал прямым. Пулемет при этом сохранился, но теперь он размещался в шаровой установке Kugelblende 50. Поскольку масса корпуса танка возросла на 48%, по сравнению с Ausf.E, машина получила новую 400-мм гусеницу вместо применявшейся ранее 360-мм. Были выполнены дополнительные вентиляционные отверстия в крыше моторного отделения и в крышках трансмиссионных люков. Изменились размещение и конструкция глушителей двигателя и бензомотора поворота башни.

Помимо фирмы Krupp-Gruson к производству танка, продолжавшемуся с апреля 1941 по март 1942 года, подключились Vomag и Nibelungenwerke.

Все вышеперечисленные модификации танка Pz.IV вооружались короткоствольной 75-мм пушкой с начальной скоростью бронебойного снаряда 385 м/с, которая была бессильна как против английской «Матильды», так и против советских Т-34 и КВ. После выпуска 462 машин варианта F производство их прекратили на один месяц. За это время в конструкцию танка внесли весьма существенные изменения: главное из них — установка 75-мм пушки KwK 40 с длиной ствола 43 калибра и начальной скоростью бронебойного снаряда 770 м/с, разработанной конструкторами фирм Krupp и Rheinmetall. Производство этих орудий началось в марте 1942 года. 4 апреля танк с новой пушкой был показан Гитлеру, и вслед за этим возобновился его выпуск. Машины с короткими пушками имели обозначение F1, а с новым орудием — F2. Боекомплект последних состоял из 87 выстрелов, 32 из которых размещались в башне. Машины получили новую маск-установку и новый прицел TZF 5f. Боевая масса достигла 23,6 т. До июля 1942 года было выпущено 175 Pz.lV Ausf.F2, еще 25 машин переоборудовали из F1.