F-35起源自美國聯合攻擊戰鬥機（Joint Strike Fighter JSF）計劃，該計劃是20世紀最後壹個重大的軍用飛機研制和采購項目，亦為全世界進行中的最龐大戰鬥機研發計劃，設計目的是為了替代美國空軍、美國海軍、美國海軍陸戰隊以及英國皇家海軍的F-16、F/A-18C/D、AV-8等各種軍機。計劃被定位為低成本的武器系統，這是因為現代先進戰鬥機，如F-22戰鬥機的成本不斷高漲，美國及其他國家均感到，單純依靠這樣的高性能且高價格的戰鬥機組成戰鬥機部隊，在財政上難以承受。因此美國各軍種改變以往各自研制戰鬥機的傳統，聯合起來，***同研制壹種用途廣泛、性能先進而價格可承受的低檔戰鬥機。
F-35的隱身設計借鑒了F-22的很多技術與經驗，其RCS(雷達反射面積)分析和計算，采用整機計算機模擬（綜合了進氣道、吸波材料/結構等的影響），比F-117A的分段模擬後合成更先進、全面和精確，同時可以保證機體表面采用連續曲面設計。該機的頭向RCS約為0.065平方米，比蘇-27、F-15（空機前向RCS均超過10平方米）低兩個數量級。由於F－35武器采用內掛方式，不會引起RCS增大，隱身優勢將更明顯。
在紅外隱身方面，從壹些資料可推斷出該機在推力損失僅有2%－3%的情況下，將尾噴管3-5微米中波波段的紅外輻射強度減弱了80%－90%，同時使紅外輻射波瓣的寬度變窄，減小了紅外制導空空導彈的可攻擊區
F-35的隱身設計，不僅減小了被發現的距離，還使全機雷達散射及紅外輻射中心發生改變，導致來襲導彈的脫靶率增大。這樣該機的主動幹擾機、光纖拖曳式雷達誘餌、先進的紅外誘餌彈等對抗設備也更容易奏效。根據有關模型進行計算，取F-35的前向RCS為0.1平方米，與10平方米的情況比較，在其他條件相同的情況下，前者的超視距空戰效能比後者高出5倍左右。
F-35有四大關鍵機載電子系統——諾思羅普·格魯曼公司的AN/APG-81有源相控陣雷達和光電分布式孔徑系統（EODAS）、英航宇系統公司的綜合電子戰系統及洛-馬公司的光電瞄準系統（EOTS）。
其中EODAS由分布在F-35機身的6套光電探測裝置組成，可實現360°的環視視場，圖像投射到頭盔面罩上，使飛行員能通過自己的眼睛，“穿透”各種障礙看到廣域外景圖像。EOTS則是壹個高性能的、輕型多功能系統，包括壹個第3代凝視型前視紅外（FLIR）系統，可以在防區外距離上，對目標進行精確探測和識別。[8] 此外，EOTS還具有高分辨率成像、自動跟蹤、紅外搜索和跟蹤、激光指示、測距和激光點跟蹤功能。
諾斯羅普·格魯曼公司的AN/AGP-81型主動電子掃描陣列雷達是所有型號的F-35通用的。這種具有隔行掃描邊搜索邊跟蹤功能的雷達，使得F-35的飛行員可以在探測、確定、以及對固定的和移動的地面目標進行武器制導的同時對付敵人的戰鬥機或者是低空飛行的直升機。AN/AGP-81型雷達的探測距離接近現有雷達探測距離的三倍，並能夠向飛行員提供超高分辨率的合成孔徑雷達圖像。
F-35的儀表板與F-22的多功能顯示器不同，它采用了壹個尺寸為8×20英寸的大型全景多功能顯示器（MFDS）。這是迄今為止最大的戰鬥機顯示器，它由Rockwell Collins公司的Kaiser 電子分公司研制。實際上它是由兩個並排在壹起的8×10英寸投影顯示器組成，其分辨率分別為1280×1024。這兩個顯示器是完全互為備份的。當壹個發生故障時，所有的功能都可在另外壹個顯示器上顯示。MFDS將顯示傳感器、武器和飛機狀態數據，以及戰場環境、戰術和安全信息。大範圍的戰術水平態勢可以全屏顯示，也可以在平面上分割成若幹小窗口分別顯示不同的信息。
采用兩種方式對系統功能進行控制：壹種是觸摸屏方式；另壹種是通過設置在駕駛桿和油門桿上的各種開關和電位計旋鈕實現的（HOTAS）。兩臺顯示器分別由兩個處理機提供對原始信息的加工處理。MFDS采用微型有源矩陣液晶顯示器（LCD）作為成像源。每個顯示屏的投影系統分別由3個弧光燈進行照明。Collins公司提供所有的顯示驅動和第壹層次的應用軟件。
F-35的頭盔顯示器系統（HMDS）將取代傳統的平視顯示器（HUD），不僅節約了費用，而且也顯著地降低了系統的重量。HMDS是由視覺系統國際（VSI）公司研制的，這是壹家由美國Collins公司和以色列EFW公司（以色列Elbit系統公司的子公司）組成的合資公司。它還為F-15和F/A-18E/F提供聯合頭盔提示系統。HMDS包括三大部分：頭盔顯示器、DMC-H、頭盔跟蹤系統。HMDS系統是光電系統和飛行員頭部位置跟蹤裝置的組合，它將為飛行員顯示關鍵的飛行狀態數據、任務信息、威脅和安全狀態信息，同時系統還可以為飛行員引導機載武器和傳感器（如雷達和EOTS）指向所關註的區域；或發出視覺提示，告訴飛行員應該關註的區域。
動力設計
F-35使用的，也是世界上唯壹可以滿足F-35性能要求的發動機就是普惠公司研制的F119-PW-100發動機，F119-PW-100也是人類歷史上第壹型推重比超過10的航空動力系統。F135發動機采用與F119發動機基本相同的核心機。為提高推力，增加了發動機的空氣流量和涵道比，提高了發動機的工作溫度;為了獲得短距起飛和垂直著陸能力，垂直起降型增加了新穎的升力風扇、三軸承旋轉噴管、滾轉控制噴管。其3級風扇采用超中等展弦比、前掠葉片、線性摩擦焊的整體葉盤和失諧技術,在保持原風扇的高級壓比、高效率、大喘振裕度和輕質量的同時,將風扇的截面面積增加了10%-20%。6級壓氣機與F119發動機的基本相同。
STOVL型F135-PW-600為了滿足垂直起降要求，設計了升力風扇+發動機噴管下偏+調姿噴管的垂直起降動力方案。升力風扇由涵道、風扇、D形噴管、聯軸器、作動裝置和伺服系統組成，由主發動機F135的2級低壓渦輪驅動；升力風扇直徑為1.27m，可以向前偏轉13°，向後偏轉30°，在STOVL工作狀態下使戰鬥機上方的冷氣流以230kg/s的流量垂直向下噴出，產生90千牛的升力；3軸承偏轉噴管垂直向下偏轉，產生71.1千牛的升力；該噴管可使發動機的排氣從水平偏轉到垂直甚至向前，可以使推力從水平方向偏轉到垂直向後。
此外，每側翼根處的滾轉控制噴管利用發動機壓氣機的引氣，也可提供16.7kN的推力；在控制桿端的噴管差動地打開和關閉，實現滾轉控制；通過偏轉噴管偏航實現偏航控制；通過升力風扇和發動機推力分離器實現俯仰控制。包括主發動機在內的整個推進系統的長度為9.37m，懸停總推力為175.3千牛，短距起飛推力為169.5千牛。