Разработка двигателя Роллс-Ройс «Мерлин» началась в 1925 году. В тот год Роллс-Ройс сделала блок цилиндров из алюминия. Новый мотор имел радикальные для того времени клапаны с верхним расположением, по четыре клапана на цилиндр. «Кестрел» V-12 (а Роллс-Ройс предпочитала называть свои моторы именами птиц) с наддувом развивал мощность 690 л.с. на высоте 3350 м и 745 л.с. на высоте 4420 м.
На базе «Кестрела» был создан «Базард» мощностью 955 л.с. Этот мотор с двухсторонним импеллером в нагнетателе развивал фантастическую мощность 1900 л.с. при 2900 оборотах в минуту. Получивший обозначение R. этот двигатель был установлен на гоночном гидросамолёте Супермарин S-6, завоевавшем в 1929 году кубок Шнейдера и «попутно» установившем мировой рекорд скорости — 574 км/ч. Дальнейшие усовершенствования, в основном в конструкции нагнетателя, позволили увеличить мощность до 2530 л.с. а скорость до 655 км/ч. И это — в 1929 году, а самолёт был не обтекаемым истребителем, а имел огромные поплавки.
Испытания мотора Роллс-Ройс «Мерлина», названного в честь маленького европейского сокола (а не легендарного волшебника), начались в 1935 году. В конструкцию включили все последние технические новинки того времени, такие как степень повышения давления 4:1 в нагнетателе и непосредственный впрыск топлива. В сентябре 1940 года американская фирма Паккард начала лицензионное производство «Мерлинов» на своём заводе в Детройте. В Великобритании этот мотор был известен под обозначением «Мерлин» 28, а в Америке — V-1650-1. На «Мерлинах», построенных Паккард, впервые были использованы подшипники из серебряно-свинцового сплава, а клапаны были покрыты сплавом из 80 % хрома и 20 % никеля, что увеличивало их термостойкость. Обе эти новинки позволили увеличить ресурс мотора. Новый привод нагнетателя, разработанный фирмой Райт, поставил последнюю точку в совершенствовании «Мерлин», ставшего новым «сердцем» для Р-51.
Ключевую роль в обеспечении высоких характеристик «Мерлина» на всех высотах играл двухскоростной двухступенчатый нагнетатель, который обеспечивал постоянное давление у земли. В результате «Мерлин» развивал на высоте 7920 м мощность большую, чем мотор Аллисон при взлёте! Основная проблема такой системы заключалась в охлаждении топливовоздушной смеси, нагревавшейся при сжатии в турбонагнетателе перед её впрыском в цилиндры. Снижение температуры смеси приводит к увеличению её плотности и, соответственно, увеличению мощности двигателя. Охлаждение смеси осуществлялось в специальном канале между первой и второй ступенями нагнетателя и промежуточном теплообменнике на выходе из него.
«Воссоединение» мощного и надежного «Мерлина» с аэродинамически совершенным планером «Мустанга» состоялось летом 1942 года. По обе стороны Атлантики, независимо друг от друга, начались исследования многообещающей связки «Мерлин»/»Мустанг». В Великобритании «Мустанг» I с серийным номером AL 975 был оснащён мотором «Мерлин» 65. Пришлось полностью переделать мотораму, а также панели капота, поскольку новый мотор имел несколько большие габариты. Воздухозаборник карбюратора сверху носовой части был ликвидирован, его заменили на другой, большего размера, располагавшийся уже снизу носовой части. Кроме того, на самолёт установили четырёхлопастный винт от «Спитфайра». Эта машина получила обозначение «Мустанг» X. В конечном итоге, подобным образом переделали пять «Мустангов» I. Первый полёт «Мустанга» X состоялся 13 октября 1942 года. Взлет прошел гладко, но на скорости 605 км/ч отлетел капот, и пилоту пришлось срочно пойти на посадку. В тот же день «Мустанг» X показал максимальную скорость 627 км/ч. В шестом испытательном полёте, 19 октября, выяснилось, что после установки нового карбюратора Бендикс можно отказаться от промежуточного охлаждения топливовоздушной смеси, что позволило уменьшить площадь «совка» воздухозаборника под носовой частью, придав самолёту более обтекаемую форму. Для комбинации «Мустнг» «Мерлин» разработали новый воздушный винт диаметром 3,45 м. Благодаря этим доработкам максимальная скорость «Мустанга» X составили 695 км ч на высоте 6700 м. В то же время в США Норт Американ вела аналогичную программу. Мотор Паккард V-1650-3. лицензионный вариант «Мерлина», был установлен на Р-51 с серийным номером 41-37352 — одном из двух самолётов, специально снятых со сборочной линии для этих целей. Как и у англичан, были изготовлены новые моторама и капот, чтобы разместить более крупный «Мерлин». Кроме того, самолёт оснастили четырёхлопастным винтом Гамильтон Стандарт с «манжетами». Последние были разработаны ещё в 1940 году и позволяли существенно увеличить КПД винта. Для установки мотора «Мерлин» на «Мустанг» потребовалось 223 000 человеко-часов. По сравнению с 78 000 часов, затраченными на создание NA-73X.
Прототип XP-51B впервые был поднят в воздух Бобом Чилтоном 30 ноября 1942 года. Выяснилось, что химическая реакция между материалами, из которых была выполнена система охлаждения, и гликолевым теплоносителем приводила к засорению радиатора. В го же время, из-за введения в конструкцию вторичного теплообменника, потребовалось увеличить размеры радиатора и, соответственно, его воздухозаборника. Новая конструкция создавала в полёте сильный шум. и ее пришлось переделать. Новый воздухозаборник установили на втором ХР-51В, 41-37469. Испытания показали, что максимальная скорость и потолок ХР-51В увеличились по сравнению с «Мустангами», оснащенными моторами Алиссон, на 80,4 км/ч и 3000 м соответственно. Предварительные оценки, сделанные инженерами Норт Америкэн, были столь впечатляющими, что Армейский авиакорпус заказал 400 Р-51В за три месяца до первого испытательного полёта XP-5IB.
Завод фирмы в Лос-Анджелесе не мог справиться с заказом на 400 самолётов от ВВС США и 1000 самолётов от RAF. Требовалось второе предприятие. Норт Американ имела второй завод в Далласе, Техас, но он был занят производством бомбардировщиков В-24 «Либерейтор». Дополнительный заказ на ещё 1350 Р-51В от ВВС США поставил точку в этом деле — в Далласе перешли на выпуск «Мустангов». Изготовленные там самолеты практически не отличались от машин, выпускавшихся в Лос-Анджелесе, но имели обозначение Р-51С. Первый серийный Р-51В взлетел 5 мая 1943 года, а в августе состоялся первый полёт серийного Р-51С.
Первые серийные «Мустанги» с моторами «Мерлин» появились в Европе в сентябре 1943 года. После расконсервации и сборки. 11 ноября 1943 года, новые самолёты были переданы 354-й FG, базировавшейся в Бокстеде. Интересно отметить, что 354-я FG, входившая тогда в состав 9-й Воздушной Армии, являлась подразделением истребителей-бомбардировщиков! ВВС США все ещё не верили в Р-51, несмотря на то, что его дальность была вдвое больше, чем у любою другого истребителя на европейском ТВД, да и остальные лётные характеристики были просто великолепными. Только командование 8-й Воздушной Армии видело в Р-51 тот истребитель, который сможет защитить его бомбардировщики на всём пути к целям в Германии и обратно. Оно настаивало на том. чтобы 354-й группе поручили задачи сопровождения. Первый боевой вылет на Р-51 В пилоты 354-й группы выполнили 1 декабря 1943 года, проведя ознакомительный полёт над территорией оккупированных Бельгии и Франции. В тог лень группу вел полковник Дон Блейксли — легендарный ветеран эскадрильи «Eagle», командовавший в то время 4-й FG. Все самолёты благополучно вернулись на базу, хотя один из них получил незначительные повреждения от огня зениток. Первый раз на сопровождение группа вылетела 5 декабря 1943 года. Цель находилась в Амьене, Франция, и никакого сопротивления со стороны истребителей Люфтваффе не было.
Впервые 354-я группа столкнулась с самолётами противника 11 декабря 1943 года, когда сопровождала своих «больших друзей» к Эмдену. Немцы в бой не вступали и стороны разошлись без потерь. 13 декабря 354-я группа эскортировала бомбардировщики при налёте на Киль, располагавшийся в 772 км от Бокстеда — самое большое расстояние, на которое когда-либо проникали истребители Союзников на территорию Германии. Группа немецких истребителей ВГ ПО пыталась атаковать эскортируемые бомбардировщики. «Мустанги» отразили атаку. Лейтенант Глен Иглетон добился нескольких попаданий во вражеский самолёт, но ему пришлось вернуться в строй. Во время налёта на Бремен 16 декабря лейтенант Чарльз Гамм сбил ВП 10. который стал первой подтверждённой победой Р-51В в ходе войны. В общей сложности пилоты 354-й FG одержали ещё 700 воздушных побед — больше, чем любое другое подразделение Союзников во Второй Мировой войне!
Доработки Р-51В/С продолжались в ходе серийного производства. Начиная с серий P-51B-10 и С-5, стали устанавливать новый мотор V-1650-7. Его мощность возросла до 1590 л.с. на высоте 2590 м. Установка топливного бака ёмкостью 321 литр за местом пилота позволила ещё увеличить и без того феноменальную дальность полёта Р-51 В. Правда, установка бака несколько повлияла на управляемость, но эту проблему впоследствии решили установкой цельнометаллических рулей высоты.
