Tomcat je konstruován jako dvoumotorový hornoplošník se dvěma svislými ocasními plochami. Nejdůležitějším konstrukčním prvkem je křídlo s měnitelnou geometrií, jehož úhel šípu se automaticky mění v rozmezí 20° až 68° v závislosti na rychlosti letu (ovládané centrálním počítačem CADC). To umožňuje letounu vynikající manévrovatelnost při soubojích a stabilitu při přistávání na letadlových lodích.
Základní výzbroj tvoří jeden šestihlavňový rotační kanón M61A1 Vulcan ráže 20 mm na levé straně trupu. Externí výzbroj (až 6 100 kg) je nesena na čtyřech závěsnících pod trupem a dvou v kořenech křídel, nádrže se instalovaly na speciální závěsníky pod motory.
Přední podvozek je dvoukolový a je na něm umístěn katapultovací závěs. Sklápí se směrem dozadu. Při startu z letadlových lodí je schopen si přikleknout, což zlepšuje úhel náběhu při startu. Zadní podvozek je tvořen robustními nohami s jedním kolem, sklápí se směrem k letounu a kola se pootočí o 90 stupnů.
Tankovací sonda je umístěna na pravé straně kokpitu a je výsuvná. Využívá námořní systém Probe and drogue.
Zbraňový systém a střela AIM-54 Phoenix
Nejvýraznějším prvkem výzbroje F-14 byla těžká střela vzduch-vzduch dlouhého dosahu AIM-54 Phoenix. Letoun byl navržen tak, aby mohl nést až šest těchto střel (čtyři v polozapuštěných závěsnících pod trupem a dvě na pylonech v kořenech křídel).
- Integrace s radarem AN/AWG-9 (F-14A/B): Původní analogový radar dokázal díky technologii Track-While-Scan (TWS) sledovat až 24 cílů současně a na 6 z nich navádět střely Phoenix v režimu poloaktivního i aktivního radiolokačního navedení na vzdálenost přesahující 150 km.
- Integrace s radarem AN/APG-71 (F-14D): Novější digitální radar ve verzi Super Tomcat plně převzal a vylepšil schopnosti svého předchůdce. AN/APG-71 byl s verzí AIM-54C (vylepšená digitální varianta střely) plně kompatibilní. Díky vyšší rychlosti procesorů a digitálnímu zpracování signálu dokázal radar cíle lépe filtrovat z pozadí a byl odolnější proti elektronickému rušení, což zvyšovalo pravděpodobnost zásahu střelou Phoenix na maximální vzdálenost.
Průzkumný kontejner TARPS
(Tactical Airborne Reconnaissance Pod System)
TARPS byl masivní, téměř 5 metrů dlouhý a 800 kg vážící kontejner (pod), který se upevňoval pod trup letounu na pravou zadní závěsnou stanici (pozice č. 5), kde jinak bývaly střely Phoenix nebo Sparrow.
Kontejner obsahoval tři hlavní senzory:
- KS-87B: Klasická kamera pro vertikální nebo šikmé snímkování (pohled dopředu nebo dolů). Používala se pro detailní snímky konkrétních cílů.
- KA-99: Panoramatická kamera snímala terén od obzoru k obzoru („rotující“ čočka). Byla ideální pro mapování velkých ploch nebo pobřeží z nízkých výšek.
- Infračervené čidlo AN/AAD-5, které umožňovalo průzkum v noci nebo skrze maskování tím, že detekovalo tepelné stopy (např. běžící motory tanků nebo letadel na zemi).
TARBS byl poprvé nasazen v roce 1981. Letouny varianty F-14A/B musely být speciálně upraveny, varianta F-14D měla integraci již od uvedení do služby.