Винтомоторная группа включала два V-образных 12-цилиндровых двигателя жидкостного охлаждения фирмы «Аллисон», которые в ВВС армии США именовали V-1710-111/113 (обозначение фирмы — V-1710-F30L и — F30R) с турбокомпрессорами B-33 фирмы «Дженерал Электрик». Кроме того, каждый мотор имел односкоростной приводной центробежный нагнетатель, служивший второй ступенью наддува. Первой ступенью являлся турбокомпрессор. Буквы «L» и «R» в фирменной марке мотора указывали направление вращения винта — левое и правое соответственно. Винтомоторная группа истребителя P-38L характеризовалась следующими данными, заимствованными из материалов испытаний самолета в Советском Союзе летом 1947 г.:
Управление турбокомпрессором было объединено в одном рычаге с газом. Постоянство давления на входе в приводной нагнетатель мотора обеспечивалось двумя автоматами. Первый управлял дроссельной заслонкой карбюратора, а второй — заслонкой перепуска выхлопных газов в атмосферу.
Карбюрированная смесь поступала в приводной нагнетатель, где дополнительно сжималась. В результате высотность моторов при номинальном режиме на 3000–4000 м превосходила этот показатель у основных одномоторных немецких истребителей Bf.109 и FW-190. Это давало американской машине заметное преимущество в скорости на больших высотах.
Самолет оснащался винтами фирмы «Кертисс Электрик» диаметром 3,5 м с пустотелыми стальными лопастями. На части машин применялись винты с цельнодюралевыми лопастями той же фирмы. Помимо встроенных баков P-38L мог нести на подцентропланных пилонах либо два подвесных топливных бака максимальной емкостью до 1136 л, либо бак и бомбу (такой вариант подвески был широко распространен). Маслорадиаторы подвешивались в «бороде» — по два под каждым мотором. Маслобаки монтировались на противопожарной перегородке. Средний воздухозаборник за коком винта обеспечивал подвод набегающего потока к воздухо-воздушному радиатору (промежуточному охладителю), размещенному позади маслорадиаторов. Тепловой режим радиаторов обеспечивался автоматами регулирования температуры, которые управляли положением выпускных створок.
Воздух для обогрева кабины пилота подавался от заборника в верхней части переднего отсека балки. По пути в кабину он омывал горячий выхлопной коллектор двигателя. Теплый воздух от правой мотоустановки направлялся на остекление фонаря и к ногам пилота, а от левой — под сиденье и в любое место кабины по гибкому шлангу.
Вооружение истребителя включало стрелково-пушечную, бомбардировочную и ракетную установки. Пушка «Испано» AN/M2C калибра 20 мм имела боекомплект 150 патронов. Она устанавливалась на специальном лафете с возможностью отката. Четыре 12,7-мм пулемета «Браунинг» M2 с боекомплектом по 300 патронов на ствол (по некоторым источникам — 500 патронов на ствол) крепились жестко. Звенья и гильзы пушечной установки при стрельбе собирались в специальный отсек, а пулеметные — выбрасывались за борт через окна в нижней части центральной гондолы. Пушка и пулеметы снабжались электрообогревом. Кнопка стрельбы располагалась на правом роге штурвала, все ствольное оружие имело электроспуски. Масса секундного залпа P-38L составляла 4,2 кг. На самолете применялись коллиматорные стрелковые прицелы L-3, N-3, N-4 или К-14 с гироскопическим устройством учета угловой скорости на машинах позднего выпуска.
Самолет в заводской комплектации мог нести на центропланных держателях две бомбы калибром до 908 кг каждая. При этом для подвески бомбы массой менее 500 кг использовался бомбодержатель R-800-1A, а для более тяжелых — держатель D-820. Управление сбрасыванием бомб электрическое. В некоторых авиагруппах «Лайтнинги» дорабатывали с целью увеличения количества узлов подвески бомб до шести — восьми.