F-35B là phiên bản kiểu máy bay cất cánh đường bay ngắn và hạ cánh (STOVL-short take-off vertical landing). Về kích thước F-35B tương đương với F-35A của không quân, hy sinh một phần lượng nhiên liệu mang theo dành cho hệ thống bay thẳng đứng. Giống như AV-8 Harrier II, pháo trang bị được gắn trong một trụ treo dưới cánh. Bay thẳng đứng là một tính năng thử thách nhất, và sau hết, là yếu tố quyết định trong thiết kế.
Thay cho các động cơ nâng, hay là các đầu xoay trên cánh quạt và ống xả của động cơ như kiểu Harrier lắp động cơ Pegasus, F-35B dùng một ống xả "hướng hành trình" ở đuôi máy bay (ống xả phía sau hướng xuống dưới), và một quạt nâng vận hành bằng trục tiên tiến, sáng chế của Lockheed Martin và phát triển bởi Rolls-Royce.^[48] Giống như kiểu động cơ turbo-cánh quạt gắn trong thân, lực xoay trục động cơ được phân bổ một phần ra phía trước bởi một hộp số đến một cặp cánh quạt lắp thẳng đứng, xoay ngược chiều nhau, bố trí phía trước động cơ chính ở giữa máy bay. Khí nén qua động cơ được thoát qua một cặp ống xả trong cánh hai bên thân, trong khi quạt nâng sẽ cân bằng lực đẩy phần đuôi. Hệ thống này gần giống với kiểu Yak-141 của Nga và VJ 101D/E ^[49] của Đức, hơn là các thiết kế STOVL trước đây, như là Harrier với ống xả xoay được.
Động cơ của F-35B có hiệu quả khuếch đại luồng khí thổi, gần giống như kiểu động cơ turbo-cánh quạt có hiệu quả đẩy luồng khí không cháy ở vận tốc thấp hơn, và đạt được hiệu quả tương đương như động cơ chính của máy bay Harrier, vốn to nhưng không hiệu quả ở tốc độ siêu âm. Giống như các động cơ nâng, các thiết bị bổ sung này làm nặng máy bay hơn khi bay, nhưng lực nâng mạnh hơn cũng giúp gia tăng tải trọng hữu ích khi cất cánh. Quạt mát hơn cũng giảm thiểu những tác hại của luồng khí nóng và mạnh gây ra cho lớp phủ đường băng hay sân đáp của hàng không mẫu hạm. Mặc dù mang đầy tính rủi ro và phức tạp, hệ thống được thiết kế đã hoạt động tốt và làm hài lòng các quan chức của bộ Quốc phòng Hoa Kỳ.
Trong quá trình phát triển, Lockheed sử dụng 2 khung máy bay khác nhau để thử nghiệm: khung X-35A (sau này được cải biến thành X-35B), và khung X-35C lớn hơn.^[50] Động cơ cho F-35 cải tiến từ kiểu Pratt & Whitney F119 hay GE Rolls Royce F136 dành cho máy bay chiến đấu, trong khi biến thể STOVL của F136 tích hợp cụm quạt nâng của Rolls-Royce.
Được tranh luận nhiều nhất là sự trình diễn đầy thuyết phục khả năng của X-35 ở vòng cuối trong chương trình thử nghiệm máy bay chiến đấu JSF, trong đó chiếc X-35B STOVL cất cánh trong vòng 150 m (500 ft), bay ở tốc độ siêu âm, và hạ cánh thẳng đứng—một thách thức mà chiếc Boeing X-32 không thể vượt qua.^[51]
Phiên bản này được dự định sẽ thay thế cho các kiểu sau cùng của máy bay Harrier Jump Jet, là kiểu máy bay chiến đấu STOVL đầu tiên trên thế giới được đưa vào hoạt động. Không quân Hoàng gia và Hải quân Hoàng gia Anh sẽ sử dụng phiên bản này để thay thế kiểu máy bay Harrier GR7/GR9. Thủy quân lục chiến Hoa Kỳ sẽ dùng F-35B để thay thế cho cả hai loại máy bay chiến đấu AV-8B Harrier II và F/A-18 Hornet. Dù vậy không quân Hoa Kỳ hiện đã từ chối loại máy bay này^[8][52].

F-35C

F-35C

Phiên bản F-35C dành cho hải quân sẽ có cánh lớn hơn và gấp được, diện tích các cánh điều khiển lớn hơn nhằm giúp điều khiển dễ dàng ở tốc độ thấp, và hệ thống hạ cánh chắc chắn hơn để chịu tải trọng khi hạ cánh trên hàng không mẫu hạm. Diện tích cánh lớn hơn giúp gia tăng tầm bay và tải trọng, tầm bay đạt gấp đôi F/A-18C Hornet với nhiên liệu chứa bên trong, đạt đến mức tương đương với máy bay F/A-18E/F Super Hornet vốn nặng hơn nhiều.
Hải quân Hoa Kỳ dự định mua 480 F-35C để thay thế cho F/A-18 các kiểu A, B, C và D – vốn đã đưa vào để thay các loại máy bay tấn công tầm xa tốc độ thấp A-7 Corsair và A-6 Intruder. Nó cũng được dùng như lực lượng bổ sung có tính tàng hình cho đội bay F/A-18E/F Super Hornet.^[53] Vào ngày 27-06-2007, phiên bản F-35C đạt được quy trình duyệt xét CDR (Air System Critical Design Review), điều này cho phép bắt đầu đưa F-35C vào kế hoạch sản xuất thử (Low Rate Initial Production).^[54]