El prototipo 109 K-4 que se presentó en octubre de 1943 era en realidad un modelo G modificado. En la serie K se reunirían todas las modificaciones de la G en un avión y se mejoraría el rendimiento en vuelo. Al principio pensaban utilizarse placas de contrachapado y acero en las alas y las superficies de control, pero no llegó a llevarse a cabo. Para la producción en serie se necesitaba un método más sencillo. El nuevo DB-605 D con un compresor más grande y la MG 131 se montaron en un fuselaje más ancho y sin protuberancias. La columna de control tuvo que modificarse para poder albergar el cañón coaxial MK-108. El panel de control se rediseñó y se hizo de madera contrachapada, como los asientos y el suelo de la cabina. Se eliminó el mástil aéreo. Los tapones del depósito de combustible y las escotillas de acceso para la inspección se adelantaron. El contenedor del MW-50 se situó detrás del asiento del piloto. Excepto por algunas modificaciones menores, las alas y la cola se conservaron iguales. Los alerones de ataque se hicieron de finas hojas de acero. Un indicador en la superficie superior de las alas mostraba si el tren de aterrizaje estaba plegado. En la superficie superior de las alas se construyeron unas protuberancias que albergaban las ruedas del tren de aterrizaje, más anchas que sus predecesoras. Para cerrar completamente el alojamiento del tren, se añadieron unas cubiertas. El patín de cola más largo era completamente retráctil, con el carenado incorporado. El DB 605 DB permitía la utilización de una unidad MW 50, lo que le daba un mejor rendimiento en periodos cortos. Gracias a una mezcla de metanol y agua, que se inyectaba en el compresor, se conseguía una mayor fuerza de compresión. Debía utilizarse combustible de al menos 87 octanos (B4). Si se utilizaba de tipo C3 (96 octanos), podía aprovecharse como auxiliar el depósito de 118 litros de la unidad MW-50. En los extremos de las alas se encontraban las bombonas de presión para la MG 131 y los mecanismos de respiración del piloto. Además, podían llevarse unos depósitos desechables de 300 litros, con un soporte accesorio R-3. La hélice metálica VDM mejorada de alta altitud, con palas más anchas, era otro de los rasgos de este avión. La versión caza K-1 de alta altitud nunca llegó a producirse. A principios de octubre de 1944, la III/JG27 se convirtió en la primera unidad de la Luftwaffe en recibir el nuevo avión. Hasta el final de la guerra, los escuadrones de combate 3, 4, 26, 27, 53, 54 y 77 recibieron el Bf 109 K-4. Aproximadamente se construyeron 1700 unidades en la fábrica de Messerschmitt de Regensburg y de Leipzig.

Características técnicas
Vuelo inaugural: 1944
Tripulación: 1
Longitud: 9,02m
Altura: 2,68m
Envergadura: 9,92m
Área de las alas: 16,02m2
Peso en vacío: 2346kg
Peso en despegue: 3362kg
Motor: DB 605 DB/1850cv ó DB 605 DC/200cv
Velocidad máx. a baja altitud: 518km/h; 580km/h con MW-50
Velocidad máx. a 6600m: 670km/h; 710km/h con MW-50
Índice inicial de ascenso: 14,1m/seg
Radio de acción: 600km
Altitud: 12200m
Equipo electrónico: FuG 25a, FuG 16ZY
Armamento: cañón coaxial MK 108 30mm, 65 cartuchos; 2 x MG 131, 300 cartuchos