1937年，日本海军发布了96式舰载战斗机后继机的招标规格书，在中国战场的实战报告后，发布了规格书的修订版：要求最大时速超过500公里，航程3,000公里，能在3分30秒内爬升至3,000米高空，机动性不低于96式，武器要求装有20毫米机炮2门、7.7毫米机枪2挺；另外必须装备一套完整的无线电设备，其中包括一具无线电测向仪。三菱公司在中岛退出后独自研制这一机型，在崛越二郎为首的研制小组采用了战场上很成功的零式战斗机为原型机，进行全新设计和改装，这就是零式舰载战斗机。
撇开政治和情感因素来看，三菱A6M零式舰载战斗机是太平洋战争初期全球最好的舰载战斗机。它是第一种性能全面超过陆基战斗机的海军舰载飞机。在珍珠港事件后的6个月中，零战在与盟军的陆海基战斗机的作战中取得了令人眩目的战绩，它优异的机动性和杰出的续航能力是战争初期的制胜法宝。零战是日本二战时期太平洋地区空中力量的象征。
二战中零战参加了日海军的所有主要行动，从珍珠港到B-29轰炸日本本土，生产一直持续到战争结束，三菱和中岛公司一共生产了10,449架，是所有日本战机中生产数量最多的。
三菱重工那时已是涉足造船、飞机生产和发动机制造等业务的的综合性公司，在日本多处拥有工厂。三菱内部专门为这个项目成立了设计小组，首席工程师是崛越二郎。
1937年10月，日本海军参考了在中国战场的实战报告后，发布了规格书的修订版：要求最大时速超过500公里，航程3,000公里，能在3分30秒内爬升至3,000米高空，机动性不低于96式，武器要求装有20毫米机炮2门、7.7毫米机枪2挺；另外必须装备一套完整的无线电设备，其中包括一具无线电测向仪。
中岛公司认为这些条件太苛刻，在1938年1月17日退出竞争，三菱独自继续12试的试制。崛越二郎的小组提出的
方案采用了许多新技术：如悬臂式下单翼、可收放起落架、座舱盖为气泡式，使用大块透明玻璃，飞行员前后视野良好，甚至还为飞行员装备了电热飞行服。
原型机使用三菱瑞星13型双重14缸空冷星形活塞发动机，驱动一具两叶变距螺旋桨，瑞星13型最大起飞功率780马力，3,600米高度时最大功率875马力，这种发动机后来在日本陆军/海军统一编号体系中的型号是Ha.31/13。三菱瑞星13型被选中的原因是由于其重量轻直径小，尽管崛越二郎更加青睐功率更大的三菱金星46型发动机。设计小组非常注重减轻重量，为此采用了住友金属公司开发的特殊轻质铝合金，选用小直径的结构铆钉，并尽量简化铆接点；在构件上钻出大量小孔减重，甚至取消了飞行员的防护钢板，不用自封闭式油箱，这些都成为日后的致命缺陷。
1939年3月16日，三菱名古屋工厂完成了首架12试舰战。原型机机鼻上层结构中安装了两挺7.7毫米97式机枪，机翼内安装了两门20毫米99式机炮。新机被运送到位于各务原的陆军训练机场进行飞行测试。1939年4月1日，原型机由试飞员岛胜藏驾驶首飞成功，试飞结果非常成功，仅仅在机轮刹车，滑油系统方面发现小问题；另外飞行时有轻微振动，在更换了三叶恒速螺旋桨后振动消失。1939年9月14日，日本海军认可了原型机，正式编号A6M1，同时第二架原型机也完成了，十月通过了公司内部试飞。
三菱对使用竞争对手的发动机有些不情愿，但也毫无办法。换了新发动机的A6M1型号改为A6M2。1940年7月15日，首架A6M2在日本本州机场首飞成功，试飞员志摩胜三。由于发动机功率的加大，A6M2的性能全面超过了日本海军严苛的要求，整个试制计划提前一个月完成。
侵华的日本海军航空队获悉本土12试舰战研制成功的消息，立即申请装备新战机。1940年7月21日，15架预生产型的A6M2在横山保上尉及进藤三郎上尉率领下，编成两个中队，从九州直飞中国，加入驻汉口的第12海军联合航空队。10天后的7月31日，日本海军正式装备12试舰战，定型为零式舰上战斗机11型，众所周时，零——代表日本纪年2600年。
1940年8月19日，12架A6M2首次参战，为50架轰炸重庆的三菱96陆攻护航，未发生空战；1940年9月13日，進藤三郎上尉率13架零式与保卫重庆的27架中国空军波利卡波夫I-15、I-16战斗机空战，老旧的I-15、I-16无力抵
挡，损失惨重。
在接下来的几个月中，零式共击毁99架中国飞机，自身仅有两架因为地面起火而损失。在中国服役的预生产型A6M2后来都被最初生产型所取代。
在零式投入中国战场一年后，由于无法从战场上搞到一架零式甚至是残骸，中国空军仍无法一窥零式的奥秘。克莱尔·李·陈纳德，著名的飞虎将军，时作为美国陆军航空队退役军官来帮助重新组织士气低落的中国空军。他注意到中国战场上出的日本新式战斗机，并立即向国内报告，但这份报告没有引起当局的重视，盟军仍然对零式一无所知。
1940年3月11日，A6M1第二架原型机在试飞时解体，机毁人亡。当时并未查清这次事故的真正原因，设计小组归咎于翼梁的问题。因此从第22架生产中的A6M2开始，机翼结构中引入了起加强作用的后翼梁。为了适应日本海军航母升降甲板的尺寸；从第65架A6M2起，采用折叠翼尖，折叠部分大约51厘米长，由地勤手动向上折叠。采用这些改进措施的飞机被定型为零式21型；从第128架A6M2开始，副翼调整片配平机构连接到起落架收放装置上，由于有了机械助力，高速飞行操纵副翼杆力大大减小，改善了高速时的操纵品质；从第192架A6M2开始，安装改进的副翼调整片配平机构以修正副翼摆动的问题，零式就这样边改进边生产。为了提高产量，1941年11月日本海军命令中岛公司在其小泉工厂生产零式21型。这对中岛公司来说是个极大的耻笑，三年前正是他们认为零式是天方夜谭。
零战的顶峰
1941年12月7日，日本偷袭珍珠港，太平洋战争爆发，这时的日本海军已经拥有超过400架精锐的零式，大多数是21型。在偷袭珍珠港作战中，零式从航母起飞，为第一波攻击的B5N297式鱼雷机和D3A199式俯冲轰炸机护航，掌握制空权后，零式也扫射机场跑道，防空火力点和其他一切目标。零式在空战中击落了4架美国战斗机，还给珍珠港的地面设施造成了极大的破坏。此役中日本损失了8架A6M2，大多数是被对空火力击落的。
太平洋战争第一年中，美国海军的标准舰载战斗机是格普曼F4F野猫式。A6M2与F4F相比，无论在速度、爬升率和机动性上都全面占优，但野猫的火力更强，机体更坚固；两者的俯冲速度旗鼓相当。A6M2的翼载很小，转弯半
径比野猫小得多，这使得A6M2在空战中能抢先占位，击落野猫式。12月8日，日本进攻击威克岛，8架野猫被摧毁于地面。剩下的野猫英勇抵抗了2星期，粉碎了日军数次空中攻击和一次海上入侵。不过，他们被优势的日军战斗机所压倒，12月22日，损失了最后两架野猫。
美国的野猫飞行员在付出惨痛代价后发展出对付零式的有效战术。其中一种是“剪刀交叉”又称“泰弛穿插”，得名于VF-3中队指挥官约翰·s·泰弛少校。在这种战术中，两架野猫互相交叉飞行，互相掩护对方尾部，这样零式即使咬住其中一架野猫式，同时另一架野猫也咬住了零式，颇有“螳螂捕蝉，黄雀在后”的味道。另外在大编队作战中，野猫飞行员被提醒要尽可能保持高度，俯冲攻击敌机编队，然后利用俯冲的速度优势脱离再爬高，准备进行下一次攻击。总之：尽量避免与具有机动性优势的零式近距空战！
珍珠港事件的后一天，12月8日，驻台南的日本陆基航空兵大举空袭菲律宾。84架A6M2护送54架G4M11式陆攻和54架G3M296陆攻袭击了克拉克机场，美军飞机紧急起飞迎战，被击落15架，另外还有50架被摧毁于地面。一天内日军就基本消灭了美国在菲律宾的空中力量！这次奇袭中，零式采用低速省油飞行方式，直飞菲律宾，美军完全没想到日本已经拥有了续航力如此强大的战斗机，大为震惊。在菲律宾上空首开纪录的是坂井三郎下士，击落一架柯蒂斯P-40，这已是他的第三战绩了，前两次战绩是在中国战场取得的。两天后，坂井又击落了一架B-17轰炸机。到12月13日为止，美军大势已去，A6M2开始使用机炮扫射地面目标，仅仅3天，零式就掌握了菲律宾的天空。（现在有一种说法，假如德国空军当时的Me-109战斗机拥有零战相同的航程，那么整个欧战将从此改
观）。
在3个月内，日本海军的200架A6M2在与荷兰、英国、美国、澳大利亚的水牛式，CW-21B，霍克75A、P-40战斗机的空战中大获全胜，一是由于零式的杰出性能、二是由于日本有在中国战场实战过的飞行员，经验丰富。1942年3月8日荷兰停止抵抗。随后零式开赴新几内亚和所罗门群岛，在这里A6M2除了P-40战斧式外，还遇到了贝尔P-39、P-400飞蛇式陆基战斗机。P-39飞蛇式的表现令人汗颜，坂井三郎吹嘘道：任何稍具经验的飞行员驾驶零式都能轻易击落P-39！
在那段日子中盟军唯一的亮点就是飞虎队——美国志愿航空队。1941年12月20日，日军空袭昆明时，飞虎队首次参战。飞虎队的P-40都绘有吓人的鲨鱼嘴，借以打击日军飞行员的士气。P-40机动性不如A6M2，但平飞速度要快些。利用这项优势，飞虎队采用高速俯冲，打了就跑的战术，避免与零式纠缠。在飞虎队并入第14航空队前，他们已经摧毁了286架日本飞机（包括空中与地面的），自己仅损失13名飞行员。
1942年7月，法兰克·麦考伊上校的情报小组给零战分配代号“ZEKE”，后来知道了日本官方对零式的称呼“零战”后，音译“Reisen”，也常用这个来代表零式，或者直呼“Zero”。
古贺的零式经修理后能够重新飞行，这可以称得上是美国在太平洋战争中最重要的情报收获之一。欣喜的美国人对它进行了彻底的分析，分析结果表明零式有很好的爬升率，能轻易超过F4F和P-40，航程也优于盟军任何一种战斗机。零式具有卓越的机动性，在低速时与零式进行格斗无异于自杀；但在高速时就不一样了，这时零式机动性急剧恶化，副翼僵硬，动作困难。美国人还发现了零式机翼结构存在严重缺陷，俯冲速度受到限制。被咬住的零式能通过做高速俯冲或者小转弯半径轻易摆脱，所以盟军飞行员一定要保持高速，避免陷入低速纠缠。零式为了减轻重量，没有安装自密封油箱和任何自动灭火装置，飞行员也没有装甲保护，机体表面中弹就可能引起飞机着火，美军为此特地研制了穿甲燃烧弹，这种子弹非常容易穿透零式的铝合金蒙皮，并引燃整架飞
机。
美国人找出了零式的缺点，本土的测试报告迅速传送到太平洋战场的一线单位，这些宝贵的信息帮助沮丧的美国飞行员改进战术立足现有装备最终击败称霸太平洋上空6个月之久的零式。A6M2的优势被美军的新战术和新装备抵消了。1942年10月26日，A6M2在圣克鲁斯进行了最后一次空战，随后A6M2被A6M3所取代。淘汰下来的A6M2分配到二线单位和训练单位。战争的最后一年里，这些陈旧的A6M2大多被改装成神风特攻机与狂热的飞行员一起玉碎了。
1940年秋，预料到不久将与美国开战，日本海军发出了单座水上战斗机15试的招标书。这种水上战斗机主要用途是掩护两栖作战，而且不需要跑道，因为那时日本陆军航空队的工兵规模很小、缺乏装备，无法在新占领的土地快速建造野战机场。为此川西飞机公司马上开始了他们的N1K1（强风）计划，但是在与美国开战前（珍珠港）无法完成。日本海军于是命令中岛飞机公司在三菱A6M2基础上研制水上战斗机。
A6M2水上型在1941年2月开始研制，以早期A6M211型为基础，去掉可收放起落架，机腹下安装了一个巨大的中
央浮筒，以坚固的V型支柱作支撑。外段机翼下安装了辅助浮筒。保留了A6M2标准的发动机和军械。由于巨大的浮筒影响安定性，所以增加了尾舵面积，并安装了腹鳍，另外在浮筒里增设了附加油箱，以抵消气动阻力增加和不能安装机腹副油箱而缩减的航程。新飞机型号定为A6M2-N。
1941年12月7日，太平洋战争爆发第一天，首架A6M2-N原型机首飞成功，海军将此飞机定型为海军2式水上战斗机11型，1942年4月，第一架生产型A6M2-N交付使用。所罗门之战中，A6M2-N首次投入战斗，兰克·麦考伊上校的情报小组给A6M2-N分配代号“RUFE”。一些A6M2-N最初部署在图拉吉，对第11轰炸机团的B-17造成严重损伤，但是在美军登陆瓜岛后被尽数摧毁，另外阿留申群岛战役中也使用了A6M2-N。
尽管装有累赘的浮筒，A6M2-N仍然能把试图与之缠斗的盟军飞机击落，有记录显示A6M2-N甚至击落过强大的P-38闪电战斗机。A6M2-N曾出现在整个太平洋战场，在太平洋战争后期日本海军收缩防御时，A6M2-N就敌不过盟军的新型战斗机了。后来这种过时的水上飞机被用来训练川西N1K1强风水上战斗机的飞行员，基地设在日本本州琵琶湖，偶尔这种飞机也执行本州防空截击任务。1941年到1943年9月间，中岛小泉工厂一共生产了327架A6M2-N水上战斗机。
A6M2-K是A6M2的双座教练机，佐世保的第21海军航空兵器工场应海军17试招标书将一架单座A6M2改装成了双座型，学员在前座教官在后座。为了容纳后座舱，将座舱扩大，这样挤占了机身油箱的位置，为了平衡增加的而去掉了机翼20毫米机炮，去除了主轮的整流板。水平尾翼前的机身上附加了一小片垂直安定条。
双座机定型为A6M2-K，海军评估后开始量产。自1943年11月起第21海军航空兵器工场一共制造了236架A6M2-K，日立公司千叶工厂自1944年5月起制造了272架。A6M2-K双座教练机被广泛使用在日本和台湾，另外A6M2-K还被改为拖靶机，把尾椎切除，每侧机翼下都安装了拖曳绳索容器。战争后期被改装成神风机进行特攻。
A6M3零式舰上战斗机32型
1941年，A6M2开始安装1，130马力的荣21型发动机，这种型号称为A6M3。与早期的荣12型的单级增压器相比，荣21型安装了双级增压器，新发动机长度增加，导致机头整流罩外形改变，机身防火板向后移了20.3厘米，这样机身油箱容积由98升减少到60升，为了弥补机身油箱容积的损失，在这个型号中首次装备了副油箱，A6M3可以在机腹下挂载一具330升的可抛式副油箱。1941年6月，A6M3首飞成功。
日本海军赋予A6M3的正式名称是零式舰上战斗机32型。从第4架A6M3起，20毫米航炮的弹药从60发增至100发，
不久后为了简化生产与维护，取消了折叠翼尖和副翼调整片配平机构，这样翼展减小到11米，翼面积减少到21.5平方米。飞行员发现这些有新机翼的A6M3最大平飞速度稍有增加，机动性和爬升率都比不上老式的A6M2，但是俯冲速度更高、高速时副翼控制效率更好，滚转速度更快，高速机动性有所提高。三菱生产了343架A6M332型，中岛的小泉工厂也生产过A6M332型，数量不明。
1942春末，数量有限的A6M3部署在新几内亚/所罗门地区，准备支援入侵澳大利亚的行动。由于它有着平直的翼尖和形状不同的发动机罩，盟军一开始以为这是一种全新的战斗机，法兰克·麦考伊上校的情报小组给A6M3分配代号“HAP”,后来又改成“HuMP”当盟军最终认识到这种飞机是零式的改型时，代号又改为了“ZEKE32”。
A6M3零式舰上战斗机22/22甲型
美军在瓜达卡纳尔登陆后，A6M3被迫从1，037公里外的基地飞来攻击登陆部队。在这次作战中，A6M3暴露了航程不足的缺点。因为A6M3的荣21型发动机比荣12型油耗高，加上机身油箱容积的减小使A6M3航程短于A6M2，从2，222公里减少到1，800公里。为了增加航程，三菱在每侧机翼机炮外侧布置了45升的机翼油箱，恢复折叠翼尖，增加翼展。这种增程A6M3海军定型为零式舰上战斗机22型，可能是它更类似于A6M221型。22型在换装新的长身管20毫米99式2号3型机炮后，称为A6M322甲型。折叠式圆翼尖的A6M322型成为A6M3家族中最主要的成员，三菱共生产了560架
。
A6M4
A6M4是一种夭折的型号，1942末至1943年初，零战遇到了美军强悍的新式战斗机。这两种战斗机都有着卓越的高空性能，强大的火力和高速俯冲能力，其中F4U装有2，000马力的星型活塞发动机，几乎是零式的两倍，P-38也装有两台1，000马力的直列水冷发动机，美军的“打了就跑”战术在新型战机身上得到了完美的体现。零式俯冲速度低，美军战斗机常常能在俯冲攻击中得手，即使一击未中也能够通过俯冲安全逃离。随着这两种新型战机加入空战，零式逐渐失去了制空权。由于新一代的A7M烈风迟迟不能投产，日本海军只能寄希望于继续改进零式。位于横须贺的第1海军海军航空兵器工场在两架A6M2上安装了一种带有涡轮增压装置的荣式发动机，新发动机功率有所增加，但是这种试验性质涡轮增压装置的麻烦接连不断，并没有投产。
A6M5零式舰上战斗机52型
1943初，日本面对的战争形势越来越恶劣。美军投入了新式战机：陆军的洛克希德P-38闪电和海军钱斯沃特F4U海盗，洛克希德P-38闪电在1942年8月的阿留申战场和1942秋的新几内亚战场首次参战的战斗。P-38有着卓越的高空性能，重火力和高俯冲速度。美国海军的F4U海盗在1943年2月13日奇袭布加因维尔岛的行动中首次参战，与战争中后期的美国战机一样，F4U海盗高空性能出色、结构坚固、重火力，特别注重对飞行员和油箱的保护。
随着这两种新型战机加入空战，零战逐渐失去了制空权。早期零式的弱点之一就是俯冲速度低，盟军低速机动性差的战斗机常常能在俯冲攻击中得手，也能够通过俯冲安全逃离，因为零战无法跟上。这迫使日本海军在新一代战机研制成功之前，改进现有零式。
1943秋A6M5进入一线单位服役，海军型号零式舰上战斗机52型。日本人满以为凭借A6M5能夺回性能优势，但是又碰上美国海军的格普曼F6F恶妇式战斗机，F6F是第一种在机动性上能与零式匹敌的美国战斗机，另外还继承了速度快、火力猛、装甲厚的优势。1944年6月，A6M5在马里亚纳战场首次参战，6月19日，108架A6M5为攻击斯普鲁恩斯的第58特遣舰队的鱼雷机和俯冲轰炸机编队护航，但是在F6F恶妇的阻击和美舰队防空火力的打击下，日本损失了近300架飞机，日本海军大伤元气，此后再无力组织有效的空中攻势。这就是著名的“马里亚纳猎火鸡”之战。
尽管性能比不上格普曼F6F恶妇和钱斯沃特F4U海盗，A6M5仍是零战家族中产量最大的，因为日本航空工业无法提供足够数量的高性能战斗机来替代零式，A6M5持续生产到太平洋战争结束，三菱共生产了747架A6M5；1943~1944年间，中岛也生产了数量不详的A6M5；日立公司也计划生产A6M5，但在战争结束前还未能投产。
A6M5有许多非正式的改型，为了对付B-29轰炸机，一些前线野战机场的A6M5飞行员座舱后安装了斜射炮——一门30度角安装的20毫米机炮，这样A6M5就可以水平飞行攻击B-29柔软的机腹了。还有一部分A6M5拆除机腹下的可抛式副油箱，换成250公斤炸弹，执行俯冲轰炸任务，不过炸弹挂架老出问题，炸弹经常无法投掷，很多A6M5只能携弹返回基地，有些燃料耗尽后只能迫降到海中。炸弹挂架对于用来神风特攻的A6M5来说不成问题，1944年10月26日，基地位于菲律宾的201航空队首次对美军舰艇发动自杀攻击，领队关幸男。自杀机一开始是改装过的老旧A6M2，以后使用改装的A6M5，俯冲速度更快，威力更大。
这些自杀攻击战绩显著，于是日本成立了更多神风特攻单位，主要装备是改装过的零式，机腹挂载一枚250公斤的炸弹。美军损失的舰艇有半数是被自杀机撞沉的，但是疯狂的神风特攻并未能阻挡美军向日本本土挺进的脚步。
A6M5a零式舰上战斗机52甲型
出于对更强火力和更高俯冲速度的需求，1943年末，出现了A6M5a，它继承了52型的厚蒙皮机翼，最大俯冲速度
达到740公里/小时，几乎达到了欧洲同时期的标准。机翼20毫米99式2号炮3型机炮改成99式2号炮4型，弹药也由100发增至125发。A6M5a52甲型于1944年3月开始交付，三菱一共生产了391架，中岛也有生产，数量不祥。
A6M5b零式舰上战斗机52乙型
A6M5b是与A6M5a并行发展的型号。这种型号有些怪异，出于增加火力的目的，A6M5机鼻的两挺7.7毫米机枪中右侧的一挺被换成了13.2毫米机枪，这样机鼻的机枪就一大一小了，另外风挡加装了防弹玻璃，机身油箱周围安装了二氧化碳自动灭火器。A6M5b可以在每侧翼下挂载150升副油箱。三菱共生产470架，中岛数量不祥。
A6M5c零式舰上战斗机52丙型
1944年夏，不顾零式基本设计的不足，日本人仍继续改进零式。1944年7月23日马里亚纳猎火鸡之役后的一个
月，日本海军海军要求零式的新改型装甲更厚，火力更强，能装载更多燃料，还必须有俯冲轰炸能力。三菱为此研制了A6M5c——零式舰上战斗机52丙型，佐野荣太郎领导设计。与以前的零式不同，A6M5c在机翼机炮外侧加装了两挺13.2毫米机枪，飞行员座椅后面安装了一块装甲板，为飞行员提供后向的保护，飞行员后的机身加装了140升的自密封油箱，翼下挂架还可以安装无导向空空火箭弹。
新飞机在加强装甲、提高火力和增大燃油容积后，重量大大增加，佐野深感荣式发动机动力不足，于是要求改装功率更大的三菱金星62型发动机，日本海军拒绝了这项改动，命令三菱继续使用改进过的中岛荣式发动机——具有水-酒精加力装置的荣31型，不过这种发动机的进度赶不上A6
M5c，三菱只得暂时依靠荣21型。
第一架A6M5c是用A6M5机身改装的，1944年9月首飞。在飞行测验期间，发现机翼机炮周围的蒙皮要补强以保持俯冲性能。在正式生产时取消了自密封油箱，因为日本海军地勤人员缺乏维护这种油箱的经验。由于重量的增加而发动机不变，A6M5c的性能让人失望，仅仅生产了93架。
A6M5-K零式练习战斗机
A6M5-K是A6M5的纵列双座教练型，与A6M2-K相似，也是由佐世保的第21海军航空兵器工场设计，项目开始于1944年8月。日立公司负责生产，到1945年3月只生产了7架。由于太平洋战争局势的恶化，需要更多的作战型飞
机，A6M5-K这种教练机便停止生产。
A6M6c零式舰上战斗机53丙型
1944年11月，三菱终于等到了利用的水-酒精提高功率的荣31型发动机。荣31标准功率与荣21相同，加力时功率加大。这种装荣31发动机的A6M5c被称为A6M6c，另外机翼内也改装了自密封油箱。1944年末，三菱制造了首架原型机，海军定型零式舰上战斗机53丙型，由中岛小泉工厂量产。A6M6c性能比A6M5c好不到哪里，中岛生产的发动机和机身质量较差，使得A6M6c勉强达到557公里/小时的速度下限。另外，荣31发动机加力时功率比预期的低，注射系统问题不断，难以维护，只有一架样机问世。
到1944末，大部分日本航母都被击沉，日本海军命令三菱发展一种零式的俯冲轰炸型，能在小型航母上操作。结果产生了A6M7。A6M7是A6M6c的派生型，在原来机腹副油箱位置安装了一个特殊的炸弹挂架，可以挂载一枚250千克炸弹或500千克炸弹，并且加强了水平尾翼以适应俯冲拉起时的巨大应力，每侧翼下可挂载150升副油箱。
1945年5月A6M7定型为零式舰上战斗机63型，并开始量产。三菱和中岛都匆忙生产A6M7，以满足海军对俯冲轰炸机的需求。与早期零战在野战机场临时安装的炸弹挂架相比，A6M7的挂架可靠性很高。但对于用来进行神风特攻的A6M7来说，这项改进毫无意义。
A6M8零式舰上战斗机64型
A6M8是零战最后的改型。美军对日本本土的空袭中，中岛的发动机工厂被炸（这时中岛已经决定减少荣式发动机的产量以便转产18气缸的誉式星型发动机），结果零战使用的荣式发动机出现短缺。这种情形最终迫使海军批准三菱在零战上使用功率更大的MK8K金星62（Ha-33/62）型14缸气冷星型发动机。
1944年11月，使用金星发动机的A6M8原型机通过评估。由于三菱1560马力的MK8K金星62发动机直径比荣式大，所以重新设计了零式的前机身，并去掉了安装在机鼻的机枪。同时改进了油箱的自动灭火系统，并增加了油箱容积。与A6M7相同，A6M8机腹挂架可以挂载一枚500千克炸弹，机翼下可挂载150升副油箱。
1945年4月，生产出了首架A6M8。飞行试验发现燃料和滑油系统存在诸多问题，并有发动机过热倾向，这架飞机不得不返厂修改。通过扩大滑油罐，修改管线设计，并安装合适的发动机冷却导风板，才排除这些缺陷。1945年5月25日，这架A6M8在青森完成了服役测试，海军定型为零式舰上战斗机64型投入生产。第二架原型机6月完成测试，7月这两架飞机都送往横须贺测试航空队。三菱和中岛都生产A6M8，总共预定生产6,300架，不过由于战争最后几个月的混乱情形，A6M8并未交付。
| A5M4 | A6M5A | A7M2 | ||
| 尺寸数据 | 翼展 | 11.00米 | 11.00米 | 14.00米 |
| 机长 | 7.56米 | 9.12米 | 11.00米 | |
| 机高 | 3.57米 | 4.28米 | ||
| 机翼面积 | 17.80平方米 | 21.30平方米 | 30.90平方米 | |
| 重量数据 | 空重 | 1216千克 | 1876千克 | 3226千克 |
| 最大起飞重量 | 1708千克 | 2733千克 | 4720千克 | |
| 性能数据 | 最大速度 | 447千米/时 | 556千米/时 | 629千米/时 |
| 升限 | 升限9800米 | 11740米 | 10900米 | |
| 航程 | 1200千米 | 1900千米 | 1600千米 | |
| 武器装备 | 两挺7.7毫米机枪，翼下可载60千克炸弹 | 两门20毫米机炮，两挺7.7毫米机枪，翼下可载2*60千克炸弹 | 四门20毫米机炮，翼下可载2*60千克炸弹 | |
| 动力装置 | 一台中岛41活塞发动机，功率690马力 | 一台中岛“荣”21型复列星型气冷14缸活塞发动机，功率 1100马力 | 一台三菱HA43-11型活塞发动机，功率2200马力 |
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