Noch während das Titan-​IIIC Programm auf Hochtouren lief, unterbreitete der Hersteller der Titan-​Rakete, die Martin Marietta Corp., dem Pentagon Vorschläge für eine Weiterentwicklung. 1967 wurden die Studien finanziell vom Pentagon abgesichert und die eigentlichen Entwicklungsarbeiten konnten beginnen. Geplant war zunächst die weitere Modernisierung der Titan-​IIIC, wobei auch die Transtage als dritte Stufe beibehalten werden sollte. Als jedoch klar wurde, daß das Pentagon primär eine Trägerrakete für die neuen Aufklärungssatelliten vom Typ KH-​9  suchte, die über einen integrierten Antrieb in Form der Agena-​Stufe verfügten, wurde das Konzept auf eine zweistufige Rakete reduziert. Die Booster der Nullstufe erhielten eine geänderte Treibstoffmischung, was zu einem geringfügig niedrigeren Schub führte. Die Erststufe blieb nahezu unverändert. Dagegen erhielt die Zweitstufe eine neue Version der LR-​91  Triebwerke, was eine Verlängerung der Stufe um wenige Zentimeter bedingte. Die modulare Nutzlastverkleidung von McDonnell-​Douglas wurde von der Titan-​IIIC übernommen, allerdings bedingten die großen Nutzlasten den ausschließlichen Einsatz in der maximalen Länge von 15,24 m. Äußerlich nicht sichtbar, jedoch von nicht unerheblicher Bedeutung war die Einführung verbesserter Bordcomputer und anderer Elemente der Flugsteuerung.
In den Jahren 1971 bis 1982 erfolgten 22 Starts der Titan-​IIID mit Nutzlasten der Typen KH-​9  und KH-​11 , wobei die Rakete eine herausragende Erfolgsquote von 100% erreichte.