В октябре 1939 года компания Krupp-Gruson разработала новую модификацию — Ausf.D. Всего, с октября 1939 года по май 1941 года было произведено 229 единиц. Panzer IV Ausf.D стал первым полностью боевым, в отличие от предыдущих модификаций A/B/C, которые были учебно-боевые. Танк модификации D находился в эксплуатации до 1944 года. В основном, танки этой модификации применялись во Франции, Северной Африке, Балканах и СССР. С июля по октябрь 1942 года, 42 танка Ausf.D были переделаны для преодоление водных препятствий по дну, глубиной от 6 до 15 метров. Незначительное количество этих танков находилось в 18-ой Panzer Division и ограниченно использовались в июне 1941 года. С февраля по май 1940 года, 20 танков Ausf.D компанией Krupp переделаны в мостоукладчики. Мостоукладчики нашли применение в Бельгии и Франции. В конце 1940 года эти мостоукладчики были переделаны обратно в танки. На Pz.Kpfw.IV Ausf.D планировалось установить четыре 280-мм или 300-мм ракеты в специальную башенку, взамен стандартной. В 1943 году на некоторые танки Ausf.D была установлена 75-мм пушка KwK L/48