諾斯羅普P-61“黑寡婦”的始於1940年8月，此時正是希特勒轟炸倫敦的高潮。美國駐倫敦觀察員提洛·C·埃蒙斯中將接觸到關於英國雷達技術最新進展（Radar壹詞是無線電探測和測距的英文縮寫）的情報。英國在1936年開始研制雷達，科學家和工程師現正在研制第壹種機載截擊雷達（AI雷達），可使飛機在飛行中不必依賴地面設施自主探測和截獲空中目標。
同壹時間，負責在美國購買戰機的英國采購委員會提出他們迫切需要壹種夜間戰鬥機，來擊落夜間轟炸倫敦的德國轟炸機。這種戰鬥機必須能整夜在倫敦上空巡弋，這意味著至少8小時的滯空時間，此外還要有足夠的作戰高度以攔截高空轟炸機。
埃蒙斯將軍回到美國後提交壹份報告，指出英國現在急需夜間戰鬥機，美國工業界也許能滿足要求。於是埃蒙斯將軍被授權組建埃蒙斯委員會，負責制定夜間戰鬥機的初步設計指標，並在1940年10月通過了萊特機場陸航技術勤務司令部的審核。因為早期AI雷達的大重量和高續航時間要求，所以該機是壹種大型雙發戰鬥機。 諾斯羅普設計了壹種雙發單翼雙尾撐方案，翼下發動機短艙安裝兩臺普惠R-2800“雙黃蜂”氣冷星形發動機。短艙向後逐漸收細形成雙尾撐，末端安裝扇形垂尾，垂尾間連接著大型平尾。飛機的中央機身較長，可容納三名乘員——飛行員、機槍手（操控機鼻炮塔）、雷達操作員/後炮塔機槍手，新型雷達安裝在機腹的天線罩內。機鼻和機尾的兩座炮塔都配備4挺12.7毫米機槍。該機采用前三點式起落架，預計空重7369千克，總重10276千克，高度4.01米，長度13.87米，翼展20.12米。從上述數據看更像是轟炸機而不是戰鬥機。
11月14日諾斯羅普把修改後的設計提交給陸航，新設計增加了壹個機槍手戰位，改用機腹和機背炮塔，機腹炮塔安裝兩挺12.7毫米機槍，機背炮塔安裝4挺12.7毫米機槍。乘員增加到四名——飛行員、雷達操作員、兩名機槍手，AI雷達也移到了機鼻。
11月22日該公司又提交了進壹步修改後的設計，去掉了機腹炮塔，乘員改回3名，飛行員坐在座艙最前部，機槍手在飛行員後上方，通過旋轉座椅上的特殊瞄準具遙控炮塔射擊。為了給機槍手提供良好的視野，座艙采用了階梯狀座艙蓋，成為日後P-61的標誌性外部特征。全透明機身尾椎為後方的雷達操作員提供了極佳的後方視野，如果飛機遭遇尾部襲擊，他可以操縱機背炮塔向後射擊。當然機背炮塔也可以固定在正前位置由飛行員操縱射擊，機翼內還增加了4門20毫米機炮。1940年12月5日該設計正式獲得NS-8A的公司編號。
陸軍對NS-8A方案基本滿意，並提出了幾點修改意見。1940年12月17日諾斯羅普向航材司令部發出了兩架實驗性原型機的報價信函，1941年1月11日雙方簽訂了正式合同，1月30日陸航下達了兩架原型機和兩架風洞測試模型的訂單，編號XP-61，3月10日諾斯羅普獲得了制造13架YP-61和1架靜力測試機的合同。 1941年4月XP-61實體模型通過審核，此時安裝在機翼外段的4門20毫米機炮被移到機腹以改善維護性，並使機翼上方的氣流更加平滑。去掉機炮後，機翼內部自密封油箱從2個增加到4個，容積從2044升增加到2445升。1941年10月XP-61的底座安裝式炮塔被通用電氣的接環式安裝炮塔取代。
同時AI雷達的研制進度很快，在美國AI雷達的發展由國防研究委員會負責，下屬的微波委員會在麻省理工學院建立了輻射實驗室，負責XP-61機載截擊雷達（美國編號SCR-520）研制，西電公司被責成完善SCR-520的設計並大規模生產。
1941年12月24日陸航下發了100架P-61生產型飛機和備件的購買意向書，1942年1月17日又增加了50架，到1942年2月12日訂單已經增加到410架，其中50架將根據租借法案提供給英國皇家空軍。
1942年5月26日XP-61在諾斯羅普機場首飛，試飛員是經驗豐富的萬斯·布裏斯。該機安裝兩臺普惠R-2800-10發動機，單臺功率2000馬力。全機塗成黑色以適應夜間任務，因此有人根據北美著名毒蜘蛛的名稱把該機命名為“黑寡婦”。
1942年5月25日美國政府和諾斯羅普達成協議，在科羅拉多州丹佛的政府工廠生產1200架P-61，到7月底該訂單被削減為207架，並改為在諾斯羅普霍桑工廠生產。
1943年8~9月間13架YP-61交付完畢。為了降低炮塔射擊時的振動，壹些YP-61的炮塔只安裝兩挺機槍。YP-61壹部分留在諾斯羅普進行試飛和維修人員的工廠培訓，壹部分前往俄亥俄州萊特機場進行使用測試，其余的在佛羅裏達州進行作戰適用性測試。YP-61沒有安裝雷達，直到生產型的P-61A才安裝了SCR-520雷達的生產型——SCR-720。