После того, как базовая серия Bf 109F утвердилась в производстве, компания продолжала работу над дальнейшими конструкциями, и множество интересных проектов берет начало от модели F. Серии Bf 109G и Bf 109H, развивались параллельно, причем H являлся развитием высотного истpебителя непосредственно на основе модели F. Проектирование началось в начале 1943, а осенью того же года, после завершения заводских испытаний, Bf 109HV-1 был переброшен на испытательный полигон в Рехлине. Машину позже передали компании Daimler-Benz в Эхтердинген, около Штутгарта, для работ по совершенствованию двигателя; она была уничтожена вместе с трофейным Spitfire, переоснащенным двигателем DB 601 при воздушном налете в августе 1944 года.
Как и предсерийные H-0, прототип был переделан из стандартного планера серии F. Размах крыла увеличили до 12230 мм установкой прямоугольной секции в корнях крыла, а силовой установкой стал DB 601E с форсажным устройством GM-1. Вооpужение составляли два MG 17 и мотор-пушка MK 108. Взлетный вес возрос до 3800 кг, но максимальная скорость на высоте составила 750 км/ч и самолет мог действовать на высотах до 14326 м. Машины модификации H-0 испытывались в боевых условиях в Гуянкорте во Франции, где выявились многочисленные проблемы, особенно связанные с флаттером крыла. Они были вызваны серьезными конструктивными недостатками и испытания приостановили. Было собрано небольшое число серийных Bf 109H-1, выполнявших многочисленные истpебительно-разведывательные задания в 1944 над Англией. Дальнейшим развитием серии H являлись H-2 и H-5, которые должны были оснащаться двигателями Jumo 213E и DB 605 соответственно.
Другая конструкция, прямо относящаяся к Bf 109F и заслуживающая упоминания Bf 109Z Zwilling (спаренный). Выпущеный как прототип в 1942/43, он состоял из двух фюзеляжей Bf 109F, соединенных новыми крылом и хвостовой секцией. Прототип, оснащенный двумя двигателями DB 601E, никогда не летал. Он имел размах кpыла 13271 мм и общий вес 5987 кг. Серийное развитие Bf 109Z должно было базироваться на серии Bf 109G, но этот проект отменили.
Для экспериментальных и интересных испытательных работ использовались многие Bf 109, в том числе серии F. Одним из самых ранних был проект Me 209-II. Bf 109V-31 (зав. N.5642, SG+EK) модифицировали для испытания ширококолейного шасси нового истребителя, которое превосходило стандартное шасси Bf 109, ставшее причиной многих потерь в ходе его карьеры. Следующей деталью стали выпуклые обтекатели планируемого вооружения Me 209, протянувшиеся от задней кромки каждого кpыла до амбразур. Еще позже V-31 использовали в испытаниях, связанных с проектом Me 309. Oбычная опытная машина серии F (зав. N.5604, VK+AB) испытывала компоненты системы охлаждения Me 309 в Геттингенской аэродинамической трубе, а позже V-31 использовали для летных испытаний этой системы и посадочных щитков. Машина под кодом СЕ+EP применялась для испытаний шасси с носовым колесом и позже получила носовую стойку с двумя колесами, подобную примененой на бомбаpдиpовщике Me 264. Bf 109V-30 (зав. N.5716, ND+IE) и V-30a (зав. N.5717, ND+IF) были использованы для комплексного совершенствования гермокабины Me 309. Программа Me 309 была окончательно отклонена в конце 1943, когда выяснилось лишь незначительное его преимущество над последними вариантами Bf 109.
Самолет серии был привлечен к работе по созданию Me 209, высотного истpебителя конкурента Ta 152H. V-55 (зав. N.15709, DV+IC) был модифицирован осенью 1943 с установкой двигателя DB 605 и увеличением размаха до 13259 мм. Работа над Me 209H была остановлена в конце 1943, а V-55 уничтожен при воздушном налете на Аугсбург в феврале 1944 года.
Одна из самых поразительных модификаций была выполнена на Bf 109F-4 (зав. N.14003, VJ+WC) оснащенной хвостом-бабочкой. Летные характеристики превосходили аналогичные у стандартных самолетов серии F, но переделка не была принята для серийных машин. Другим экспериментом, который улучшал летные характеристики, была установка кpыльевых гребней, но они также не были приняты, хотя легко могли быть внедрены для монтажа в серии.
Один планер серии F приспособили под радиальный двигатель BMW 801; на другом был установлен Jumo 213 с прицелом на его использование на сериях H и Z.
