前文提到直-8系列直升机第一阶段研发工作，完成了对超黄蜂直升机的测绘仿制和国产化，达到了能飞的程度。
超黄蜂是法国在60年代研发的直升机，按国际上直升机的分类标准属于第二代直升机和第一代涡轴动力直升机，该机是新兴的欧洲直升机工业设计的第一款大型直升机，由于设计经验不足，其原始设计存在不少天生的缺陷。超黄蜂直升机在生产了105架以后，于1980年停产，此时国产直-8直升机尚未首飞。在新世纪到来的时候，国外装备的超黄蜂直升机已经逐渐进入服役末期，第三代直升机正在成为装备主力，第四代直升机的研发工作也已经全面展开。那么对于全面仿制超黄蜂的直-8来说，事实上还没服役就严重落后了。
在当时，中国军队可以再一次进行选择的直升机型号并不多，大型直升机国产型号里只有直-8直升机，所以继续改进直-8成为了唯一选择。
作为改进计划的第一步，换发成为首要工作。直-8使用的涡轴-6发动机仿制于超黄蜂直升机的透博梅卡Turmo III C 涡轴发动机，单台功率990千瓦，最大起飞功率1068千瓦。作为第一代涡轴发动机，其技术水平较低，重量大、功率小、可靠性差，实际翻修间隔只有600小时不到，作为超黄蜂的动力要安设三台。国产涡轴-6限于当时国内的技术水平，性能进一步缩水，且产能严重不足，价格高昂，成为制约直-8发展的最关键瓶颈。
限于当时国内直升机发动机水平的真实的情况，换发计划最终选用了加拿大普惠（加普惠）公司生产的PT6B发动机，加普惠为适应直-8使用对PT6B进行了适装性修改，推出了PT6B-67A发动机。直-8在修改发动机舱后，诞生了使用该型发动机的新型号直-8F，这是直-8研制历史上第一次跳出原准机设计的型号。
PT6B-67A发动机是一款第二代涡轴发动机，最大起飞功率达到1251千瓦，功率比涡轴-6提高20%以上。这款发动机其重量轻，功率大，可靠性高，翻修间隔长。直-8F依然采用三台发动机的配置，安装方法和直-8一样，两台发动机安装在减速器前方，一台发动机反装在减速器后方。为了适应新发动机变化，直-8F的减速器进行了改进设计，重量减轻效率更加高，最关键的是随着工艺水平的提高，可靠性有很大改善。换发后的直-8F，具有较大的功率储备，升限提高到4700米，有地效悬停由原来的1900米提高到2800米。直-8F型能在4500米高原启动，载重提高了20%，最大起飞重量提高到13吨。整体性能有较大的提高。
旋翼方面，直-8F仍使用金属旋翼，但使用先进翼型。新翼型最大升力系数比直-8旋翼的翼型提高20%左右，升阻比提高10%左右。旋翼的悬停效率提高7%，最佳状态可达12%。桨叶的常规使用的寿命可达10000飞行小时。因此直-8F爬升率、使用升限及悬停升限均有较大提高。起飞重量为11吨时，最大爬升率提高20%，使用升限和悬停升限均提高400米。同时由于后期维护费用的减少，全寿命周期费用将会降低。此外，新桨叶具有防冰除冰能力，极大提高了直-8F在复杂气象条件下飞行的安全性能。
直-8F采用了以数据总线为骨干的综合飞行显示系统，采用液晶显示器取代了以前的机械式仪表，可以方便、直观地向飞行员显示飞行导航及发动机工作状态等信息。
直-8F型于2002年8月正式立项研制，2004年8月28日首飞成功，2005年4月完成平原试飞任务，11月完成高原试飞任务。
直-8F名称中的F，并不是按型号顺序编排的流水号，而是货机（Freighter）的英文首字母，这是国际上民用货机常用的型号代码。所以这个型号代表的意义是一架民用货运直升机。不过直-8F最终并没有投入实际运营，与其说是一个型号，不如说是一种构型。以这一构型为基础，诞生了一系列型号，包括陆军运输型直-8B，空军搜救型直-8K，空降兵运输型直-8KA，驻港部队专用型直-8KH，武警运输型直-8NJ，森林消防型直-8WJS。
为陆军航空兵部队研发的陆军运输直升机。直-8B直升机和直-8A一样取消了机身的水密铆接工艺，两侧的浮筒为选装件。每次可运输25-30名全副武装的士兵和装备。其性能达到了俄制米171新批次型号的水平，可维护性高于米171，但适装性不如，高原能力仍不如米171V7高原型，且价格要昂贵许多。所以虽然陆航大批采购装备该机，但采购量仍没办法撼动米171的装备量，总计生产81架。
空军专用搜索营救直升机，可以在昼夜复杂气象条件下，完成陆地、山区、海上搜救任务，为此专门增加了光电探头，搜索灯等搜索设备并安装了救生绞车。直-8K保留了浮筒和水密机身设计，可以在水面起降和应急漂浮。装备空军搜救部队，共计生产12架。
空降兵运输型直升机，是在空军直-8K搜索营救直升机交付技术状态的基础上，针对空降兵部队的突击运输等任务需求，做调整的型号。大多数都用在实施空降作战地区内的兵力机动，武器装备、弹药和物资的收集前送，伤病员的战地救护和后送转移等任务。主要装备空军空降兵部队直升机大队，共计生产12架。
为满足驻香港部队换装要求，同时提高驻港空军部队执行多样化任务的能力在直-8K的基础上研发的。2010年装备驻港部队使用，该型直升机具有更强大的搜救能力。该型机共计生产4架。
装备武警内卫部队，大多数都用在重特大维稳行动中的远程快速兵力投送，共计生产8架。
是在直-8B基础上研发的森林消防直升机，有基本型和指挥型两种。直-8WJS大多数都用在对火区的兵力输送，也可直接吊挂灭火水桶进行火线直接投水灭火作业，共计生产12架。
现在看来，直-8系列的第二阶段改进是非常成功的，有了可靠的发动机为基础，直-8系列直升机终于从“能飞”阶段跨入“能用”阶段。整体看来这些直升机在部队使用中的反馈都不错，更重要的意义在于中国直升机工业对大型直升机设计的进一步掌握，并为下一阶段的改进提高打下了坚实基础。但是这批直-8直升机虽然装上了三代直升机用的发动机，基础设计却依然是早期二代机水平，所以在此基础上开展的直-8系列第三阶段研发工作，就把工作重心转向直升机基础设计的改进提高。（未完待续）