探測方面,E-2D最重要的升級自然是換裝AN/APY-9先進超高頻相位陣列雷達 (Advanced UHF Radar,AURA,見下文),此外還加裝休斯公司開發的先進紅外線搜索追蹤系統(SIRST),能及時偵測、追蹤戰區彈道飛彈 。為了因應新型航電進一步攀升的供電與冷卻需求,E-2D還將換裝新的發電機與環境控制系統(ECS)。動力方面,E-2D仍沿用原有的Rolls Royce T-56A-427渦輪發動機,但加裝專用的輔助動力系統(PMU)來供應機上系統產生的電力,讓主發動機的絕大部分推力都用於推進,加上新型複合材料八葉片螺旋槳的加持之下,E-2D的整體飛行效能可望比E-2C Group 2略為提升。由於種種新改良使E-2D重量持續上升,所以E-2D的機首將漆上三角形標誌以提醒航艦彈射官調整彈射器出力 ;降落時,管制人員也藉由機鼻標示判斷E-2的機型與重量,進而控制適當的降落攻角。E-2D其他改良項目包括:使用新一代駕駛座椅減少長時間飛行值勤的疲勞,換用新型編隊燈來提高編隊時的空間感,改良空中加油時維持穩定飛行的控制軟體等等。
原本美國海軍將從現役E-2C系列中挑選75架翻修升級為E-2D,但 鑑於現役的E-2C使用頻繁,機體早已屆臨壽限,遂更改決議,75架E-2D都改為全新製造,這種情況與美國海軍MH-60R/S直昇機或陸戰隊AH-1Z/UH-1Y的情況類似。75架E-2D中,50架配屬於航空母艦的飛行聯隊中,25架則部署於備役中隊。原本美國每艘航艦的預警機中隊編制4架E-2C,換裝E-2D後將增為5架,以增加任務運用彈性。第一架E-2D原型機在2007年8月3日成功進行首度試飛,第二架原型機則在11月29日完成首飛,所有飛行計畫在2009年前完成,並從2009年開始進入初期低量生產(LRIP)階段。在2007年7月,美國與諾格集團簽署合約,訂購首批三架E-2D先期生產型(pilot production),總價值4.08億美元,在 2010年8月完成生產,原訂2011年開始服役,不過隨後推遲到2012至2013年服役,2015年達成初始作戰能力(IOC)。 在2010年2月4日,E-2D進行第一次航空母艦降落,順利在哈利.杜魯門號(USS Harry S. Truman CVN-75)上著艦。在2013年2月12日,美國國防部宣布E-2D正式進入全速量產作業,整個作業將於2020年 左右完成 ,屆時將全面汰換現有的E-2C Group 2系列。在2014年3月27日,美國海軍艦載早期預警機第125中隊(Airborne Early Warning Squadron 125,VAW-125)的E-2D機隊投入戰備,同年10月上旬達成初始作戰能力(IOC)。
除了美國海軍外,韓國、印度、法國、馬來西亞、泰國與阿拉伯聯合大公國都對E-2D表達了高度興趣。
E-2D雷達的關鍵技術發展:雷達監控技術計劃(RSTER)
E-2D最重要的改良是換裝一具AN/APY-9先進超高頻相位陣列雷達 (Advanced UHF Radar,AURA),主承包商是洛克希德.馬丁集團的海軍電子與監視系統(Lockheed Martin Naval Electronics and Surveillance Systems, Syracuse)公司,其他主要合作夥伴包括諾斯洛普.格魯曼電子系統( Northrop Grumman Electronic Systems, Baltimore)與雷松航空太空系統(Raytheon's Space and Airborne Systems, El Segundo, California)。AN/APY-9雷達的主體是一具洛普.格魯曼電子系統負責開發的ADS-18先進固態電子掃瞄陣列天線(Advanced Detection System,ADS,型號為ADS-18) ,又稱為旋轉電子掃瞄天線(Rotating Electronically Scanned Array,RESA)。