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. Пулемёт 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.IV Ausf.F2, ещё 25 машин переоборудовали из F1.
Вариант Pz.IV Ausf.G (изготовлено 1687 единиц), выпуск которого начался в мае 1942 и продолжался до апреля 1943 года, принципиальных отличий от машин модификации F не имел. Единственной сразу бросающейся в глаза новинкой стал двухкамерный дульный тормоз пушки. Кроме того, на большей части выпущенных машин отсутствовали приборы наблюдения в лобовом листе башни справа от пушки и в правом борту башни. Впрочем, судя по фотографиям, этих приборов нет и на многих машинах варианта F2. Последние 412 танков Ausf.G получили 75-мм пушку KwK 40 с длиной ствола в 48 калибров. Машины поздних выпусков оснащались 1450-кг «восточными гусеницами» — Ostketten, дополнительной 30-мм лобовой бронёй (её получили около 700 танков) и бортовыми экранами, что делало их почти не отличимыми от следующей модификации — Ausf.H. Один из серийных танков был переоборудован в прототип самоходного орудия Hummel.