Предчувствуя «моторный голод», фирма «Виккерс» начала поиск поставщиков авиационных двигателей. После консультаций с возможными партнерами к концу 1939 г. остановились на американских двухрядных «звездах» воздушного охлаждения. В начале 1940 г. был размещен заказ на постройку прототипа бомбардировщика «Веллингтон» Mk.IV с двумя импортными двигателями, мощностью 1050 л.с. воздушного охлаждения R-1830-SC34-C «Твин Восп» фирмы «Пратт-энд-Витни» и винтами диаметром 3,81 м американской фирмы «Гамильтон-стандарт» («Hamilton-Standard»). Ожидаемая максимальная скорость – 386 км/ч на высоте 3000 м. Однако из-за применения более экономичного двигателя дальность увеличилась бы примерно на 250 км.
Всего с августа 1941 г. было построено 220 бомбардировщиков Mk.IV с американскими двигателями. На половине этих самолетов установили 7,7-мм счетверенную кормовую турель FN 20. Во всем остальном новая версия повторяла «Веллингтон» Mk. 1С. Оба варианта использовались в боевых действиях до мая 1943 г.
С начала 1942 г. началось серийное производство последней бомбардировочной версии «Веллингтона»: Mk.Х с двигателями «Геркулес» VI или XVI, мощностью 1675 л.с. Применение нового сплава на основе алюминия уменьшило вес фюзеляжа и увеличило почти на тонну взлетный вес, сохранив летные данные версии Mk.III. Всего построено 3803 экземпляра «Веллингтона» Mk.X.
Боевой потолок «Веллингтонов» составлял примерно 4500 м, что делало их уязвимыми для средств ПВО Германии. Штаб ВВС еще в мае 1939 г. заказал фирме «Виккерс» высотную модификацию бомбардировщика, способную наносить точные бомбовые удары с высоты не менее 11 000 м. Оснащенные высотными двигателями, с экипажем из трех человек, самолеты основную часть полета к цели выполняли бы на высоте, позволявшей хвостовому стрелку, находящемуся в негерметичной огневой установке, успешно отражать атаки перехватчика. При подлете к цели, окруженной сотнями зенитных орудий, стрелок перебирался в герметичную кабину к пилоту и штурману, после чего бомбардировщик забирался на недосягаемую для снарядов двенадцатикилометровую высоту, откуда и наносил удар.
Для реализации этой программы была создана цилиндрическая герметичная камера, диаметром 1,651 м, с небольшими иллюминаторами для экипажа. Наддув осуществлялся от компрессора, вращаемого одним из двигателей. Было разработано две модификации: Mk.V с двигателями воздушного охлаждения «Бристоль Геркулес III» мощностью 1425 л.с. (построено два опытных образца) и Mk.VI с двигателями жидкостного охлаждения «Роллс-Ройс Мерлин 60», мощностью 1600 л.с. Обе модификации отличались увеличенным размахом крыла, ненадежностью силовых установок и отсутствием обзора для пилота.
Первый полет «Веллингтона» Mk.V состоялся 21 октября 1940 г.
На высоте 20 000 футов (6096 м) обледенели иллюминаторы гермокабины, что вынудило прекратить подъем. Наибольшая высота – в 30 000 футов (9144 м) была достигнута этой машиной во время третьей попытки. Эти полеты выявили неспособность двигателей «Геркулес» обеспечить достаточную высотность бомбардировщику. Поэтому на втором прототипе, оснащенном двигателями воздушного охлаждения «Геркулес VIII», заменили эти силовые установки на опытные двигатели жидкостного охлаждения «Роллс-Ройс Мерлин» R E1S М (в серии обозначался «Мерлин-60»).
Испытания этой машины начались в мае 1941 г., она легко превзошла Mk.V по высотным характеристикам и была запущена в серию в конце 1941 г. Экипаж состоял из четырех человек: пилот, штурман, бомбардир и радист. Наступательное вооружение – восемь 500-фунтовых (227-кг) бомб. Попытки создать дистанционно управляемые огневые точки, которые должны были устанавливаться в оконечностях мотогондол, потерпели провал, так же как и попытки довести гермотурель FN 70 с четырьмя 7,67-мм «Браунингами». Поэтому на серийных машинах устанавливали стандартные турели FN 20А, что увеличило экипаж еще на одного человека.
Вариантом, предназначенным для действий над морем, стал противолодочный «Веллингтон» Mk. VIII. Используя планер и двигатели от версии Mk. 1С, конструкторы установили на нем РЛС обзора ASU Mk. II, работающую в дециметровом диапазоне и позволяющую обнаружить подводную лодку в позиционном положении при отсутствии видимости, а также мощный прожектор, установленный на месте выдвижной турели FN9. Прожектор предполагалось использовать для сопровождения рассекреченных немецких субмарин, прорывающихся в надводном положении на большой скорости в ночное время через контролируемый британской авиацией Бискайский залив. Эффективность прожектора была подтверждена войсковыми испытаниями. Экипаж увеличился на одного человека – оператора РЛС и составил 6 человек. Вооружение состояло из двух 420-фунтовых (191 кг) глубинных бомб, в случае необходимости подвешивалась авиационная торпеда. Оборонительное вооружение соответствовало версии Mk.IС. Начиная с весны 1942 г., командование Королевских ВВС начало использовать Mk. VIII в военных действиях.