Параллельно шли работы по устранению недостатков, выявленных во время доводки и эксплуатации бомбардировщика. Усилены основные стойки шасси, для повышения путевой устойчивости еще раз увеличен киль. Недостаточное время реакции турелей «Виккерс» потребовало улучшить защитное вооружение, для чего установлены две хорошо зарекомендовавшие себя на бомбардировщиках «Уитли» IV гидроприводные турели F 5 и F 10 фирмы «Фразер Нэш», с парой пулеметов калибра 7,67 мм в каждой. Сноп пламени, вырывавшийся из выхлопной трубы при запуске правого двигателя, прожигал полотняную обшивку крыла, что вынудило использовать пламегаситель. На выхлопную трубу левого двигателя надели цилиндрическую муфту отбора тепла для системы обогрева кабины.
12 апреля 1938 г. собрали впервые «Веллингтон» Mk.IА с новыми двигателями «Пегасус» XVIII мощностью 1050 л. с., новыми турелями, шасси и т. д. В августе эти машины начали покидать сборочные цеха. Вариант Mk.IВ не выпускался серийно, поскольку представлял собой ухудшенную версию Mk.IА.
Во время военных действий 1939 г. самолет был усовершенствован: в средней части появился астролюк, антенну радиополукомпаса упрятали в обтекатель и установили систему аварийного слива горючего.
В начале войны экипаж состоял из шести человек: двух пилотов, один из которых был стажером, штурмана-бомбардира, радиста и двух стрелков. К середине войны из-за значительных потерь в личном составе англичане отказались от второго пилота на больших самолетах.
На «Веллингтоне» Mk.IС, начавшем поступать в Королевские ВВС с апреля 1940 г., отказались от выдвижной турели FN9 в пользу двух бортовых установок с пулеметами «Виккерс LК», а на серийных бомбардировщиках устанавливали американские пулеметы «Браунинг» калибром 7,67 мм. Угол обстрела турелей увеличили до исчезновения «мертвой» зоны по сторонам самолета. Двигатели «Пегасус» XVIII являлись достаточно надежными, но выход одного из них из строя приводил к резкой потере высоты из-за невозможности зафлюгировать применявшиеся винты с постоянным углом установки фирмы «Хевиленд».
Mk.IС стал первой версией бомбардировщика, выпущенной в большом количестве – около 2700 экземпляров. Стандартная бомбовая нагрузка составила девять 500-фунтовых (227-кг) бомб или две 2000-фунтовые (907-кг) бомбы.
Опыт показал, что самолеты этого типа были лучшими среди британских бомбардировщиков на начальном этапе войны, с большей крейсерской скоростью, чем «Уитли» В.V и с большим боевым радиусом при большей бомбовой нагрузке, чем «Хэмпден» В.1.
Весной 1939 г. два прототипа уже упоминавшихся Mk.II и Mk.III впервые поднялись в воздух. «Веллингтон» Mk.II был оснащен двигателями «Мерлин X», мощностью 1145 л.с., однако нехватка этих моторов, широко использовавшихся на истребителях, задержала начало серийного выпуска Mk.II до октября 1940 г. Несмотря на выросший до 15 тонн из-за установки более тяжелых двигателей полетный вес, максимальная скорость возросла до 407 км/ч против 378 км/ч у Mk.IС. Модифицированный бомбардировщик поднимал 4000-унтовую (1814-г) бомбу.
На итальянском фронте эти машины широко использовались для атак по конвоям, гаваням и городам южной Италии и Ливии, особенно по Бенгази, главному порту на африканском побережье, через который шло снабжение германского Африканского корпуса.
Что касается «Веллингтона» Mk.III с новейшими двигателями воздушного охлаждения «Геркулес», работы над которым начались в начале 1938 г., то его производство все откладывали, рассчитывая на скорое появление четырехмоторных «Стирлингов» с этими же моторами. Но к началу 1941 г. решили запустить в серию Mk.III, который совершил первый полет с двухрядными двигателями «Геркулес» Хе-1SM, мощностью 1375 л.с., с турбонагнетателем еще 18 мая 1939 г. Серийные бомбардировщики отличались установкой более надежного двигателя «Геркулес III», мощностью 1425 л.с.
Первые самолеты новой модификации поступили на вооружение 22 июня 1941 г. Они были оснащены протестированными топливными баками и бронезащитой экипажа. Под килем установили четырехствольную турель FN 20A, прекрасно показавшую себя на «Уитли ВУ». Взлетный вес возрос до 15 650 кг, а максимальная скорость до 410 км/ч – за счет установки двух двигателей «Геркулес III», мощностью по 1535 л.с. Позже стали устанавливать двигатели «Геркулес XI», мощностью по 1675 л.с. Всего к концу 1943 г. было собрано 1517 бомбардировщиков «Веллингтон» Mk.III.
Эта модификация была приспособлена для буксировки десантных планеров «Эйрспид Хотспур», «Хадриан» и «Хорс».