Le 18 juin 1968, l'US Navy publia le cahier des charges d'un nouveau chasseur embarqué pouvant atteindre Mach 2 et susceptible d'être armé des missiles de toutes les portées disponibles, du AIM-9 Sidewinder au AIM-54 Phoenix . L'appareil reprendra plusieurs équipements développés pour le F-111B, en particulier le système d'armement : radar multicible Hughes AN/AWG-9, missiles AIM-54 Phoenix et réacteurs TF-30-P. Grumman fut déclaré vainqueur le 14 janvier 1969. Ce n'est pas le premier avion à flèche variable de Grumman. Il avait en effet conçu précédemment le F-10-F et était associé au programme F-111.
Son 1er vol eut lieu le 21 décembre 1970. Le programme connut beaucoup de problèmes de surcoûts, de délais et de problèmes techniques (plusieurs appareils s'écrasèrent) et la société Grumman se trouva en grande difficulté. La décision du shah d'Iran d'acheter l'avion en 1974 aida à poursuivre le programme. L'appareil entra en service opérationnel en décembre 1973 dans l'US NAVY. À son entrée en service, ses performances étaient très supérieures à celles de ses contemporains soviétiques. Il était en fait le premier avion d'une nouvelle génération. Celle-ci succédait aux fameux century fighters et à leurs équivalents embarqués de la période 1955-1970.
L'appareil fut ensuite modernisé et remotorisé dans les modèles F-14B/D avec un turboréacteur de la génération suivante, le General Electric F110 (le réacteur du F-15 Eagle et du F-16 Falcon) pour remplacer le TF-30-P, peu fiable et dépassé.
79 appareils F-14A (légèrement bridés au niveau radar Hugues AWG-9) furent livrés à l'Iran avant la révolution islamique de 1979.
Le dernier des 632 exemplaires de l'US Navy fut livré en 1992, et l'avion a été officiellement retiré du service en 2006. Le Tomcat est remplacé par le F/A-18E/F Super Hornet.
Le Tomcat est à l'origine un avion destiné à l'US Navy. Il est capable d'emporter 6 missiles AIM-54C Phoenix, seulement utilisés par le F-14 pour les missions d'interception à longue distance. Leur portée de 160 kilomètres et leur capacité à être tirés simultanément sur des cibles différentes fournissait au F-14 une puissance de feu inimaginable pour un avion embarqué de l'époque. (« Beyond Horizon »). Aux mains d'un bon pilote, c'est un adversaire redoutable. Quatre victoires furent remportées par l'US Navy contre des chasseurs libyens dans 2 accrochages dans les années 1980 dans le golfe de Syrte. Le premier accrochage eut lieu le 19 août 1981 quand deux F 14 de l'escadrille VF-41 furent engagés par deux SU-22 Fitters qui leur tirèrent des missiles à tête infra-rouge. Les F 14 réussirent à éviter les missiles et ripostèrent en abattant les deux avions libyens avec des missiles Sidewinder à courte portée. Le deuxième accrochage eut lieu le 4 janvier 1989 quand deux F 14 du VF-32 abattirent deux MIG-23 toujours dans le golfe de Syrte.
L'Iran commanda 80 exemplaires (79 furent livrés avant l'embargo et le dernier exemplaire est entré en service dans l'US Navy). Malgré l'embargo, l'armée de l'air iranienne a réussi à maintenir en état de vol une trentaine de F-14, notamment en achetant clandestinement des pièces de rechange en Amérique.
L'Iran l'utilisa entre autres comme mini-AWACS lors de la guerre Iran-Irak et remporta plusieurs victoires face aux appareils irakiens, mais des Mirage F1 de ce pays ont réussi à en abattre en combat rapproché. Il semble que les F 14 iraniens aient abattu une dizaine d'avions irakiens, quelques uns avec des missiles Phoenix.