Bf 109К-4 имели схожее с Bf 109G-6 вооружение — центральную 30-мм пушку Rheinmetall-Borsig МК 108 и два 13-мм пулемета Rheinmetall-Borsig MG 131 над двигателем (боезапас — по 300 патронов). Пушка МК 108 являлась весьма эффективным и мощным оружием, но ее часто заклинивало в бою. 

Предлагавшийся альтернативный вариант — 20-мм пушка Mauser MG 151/20, ставившаяся на ранних Bf 109G, — развития на серийных машинах не получил.

Крыло Bf 109К позволяло установить как две пушки Mauser MG 151/20, так и пару пушек МК 108. По последнему варианту должна была строиться модификация «К-6», предназначавшаяся для борьбы с бомбардировщиками. Однако сильно возросшая масса машины сделала ее плохо управляемой, в серию «К-6» так и не пошел (хотя считается, что прототип прошел испытания в III группе 3-й истребительной эскадры).

Часть комплектов сменного оборудования, созданных для Bf 109G, была адаптирована и для Bf 109К-4. Комплект R1 позволял превратить самолет в истребитель-бомбардировщик за счет подвески под фюзеляжем одной 250-кг или 500-кг бомбы, а комплект R4 позволял разместить под крылом дополнительно две пушки MG 151/20.

Разведывательные варианты

Среди планировавшихся для «К-4» комплектов сменного оборудования (Rustzustande) были три, предназначенные для оборудования машины раз­ведывательной аппаратурой: R2 — установка за ка­биной пилота аэрофотоаппарата Rb 50/30 или Rb 70/30; R5 — установка фотокамеры Rb 32/7x9 или двух Rb 12/7x9; R6 — кинопулемет BSK 16 в левой консоли крыла.