零式艦上戰鬥機21型
雖然早在1940年7月21日，也就是正式定型裝備的前10天，當時尚屬原型機狀態的零式1號艦戰（A6M2a）合計15架即在一架96式陸上的引導之下跨過大海的阻隔抵達漢口編入海軍第12聯合航空隊，但此時的零戰仍存在的一系列的技術問題亟待解決。
其中最為嚴重的就是「榮」12型發動機的氣缸過熱問題，機腹掛載的副油箱難以拋落的問題，大角度盤旋時主起落架自動放出的問題，以及在高過載（G）狀態下20毫米機關炮無法擊發的問題。因此直到8月19日零戰才在多方催促之下執行了來華以來的首次作戰任務—為50餘架轟炸機轟炸重慶提供護航掩護。
從此憑藉性能優勢零式戰鬥機統治了中國的上空，至1940年底合計出動153架次，空中擊落中國空軍飛機59架，地面擊毀42架，直到1941年5月20日才在中國軍隊地面炮火的打擊首次在戰鬥中損失（成都上空），此後不久又於蘭州—運城一線損失1架，這也是在太平洋戰爭爆發之前日本在戰鬥中損失的最後1架零式戰鬥機。
關於太平洋戰爭爆發前夕的海軍航空作戰，奧宮正武是這樣回憶的：
「1941年的8月下旬到9月上旬，零戰隊完成了自己在中國的作戰使命。以中國大陸為基地的轟炸機，也分別撤回本土和臺灣配屬到了新的部隊。在為期4個月的戰鬥中，合計2600架次的轟炸機在零戰的掩護下成功地對目標實施了攻擊。其中僅有1架轟炸機在作戰中損失，這唯一的損失還是被敵軍的防空火力擊落的。
而在這數十次空襲中，僅僅遭遇到了中國空軍10架戰鬥機的攔截。並且即使偶爾遭遇到敵機，敵方的戰鬥機也無法對我方的戰鬥機和轟炸機形成任何實質性的威脅。
這些事實充分證明了零戰在中國戰線所具有的威力。雖然在一段時期內，我們的轟炸機在敵戰鬥機和防空炮火的打擊之下損失的數字也曾一度達到致命的地步，但隨著零戰的到來，敵人的戰鬥機，完全失去了作為迎擊機的威力。最為重要的是，因為有了零戰，我們終於可以經常性的掌握戰場上的制空權了」。
正當在中國大陸的戰鬥正如火如荼之時，1941年2月，為了適應日本航空母艦升降機的尺寸成為真正的艦載戰鬥機，從第67架量產機開始，主翼開始採用摺疊翼尖設計，可摺疊部分長度約為50釐米。加裝了此前省略掉的著艦鉤以及無線電導航裝置。正式名稱亦變更為零式1號艦上戰鬥機2型（A6M2b）即後來的零戰21型，也是零戰家族最具代表性的型號之一。
零式1號艦上戰鬥機2型（A6M2b）
1941年夏，隨著美日矛盾不斷激化升級，太平洋戰爭的爆發將不可避免，於是為了迎接即將到來的大戰，日本海軍決定以授權生產的形式（當時稱轉換生產）讓生產規模遠勝三菱的中島也轉產零式艦上戰鬥機，同時要求三菱向中島提供零戰21型的全套圖紙以及相關的技術指導。
雖然中島版本的零戰21型從整體上看仍然是按照三菱提供的圖紙和設計規範來進行製造的，但實際上僅限於飛機的機體設計和結構等基礎部分，除此以外，比如說飛機內部的舾裝等細節部分，為了符合中島批量生產的理念，又進行了一些設計上的變更，所以和三菱版本的零戰21型相比並不完全相同。
因此在中島製造的零戰服役以後，就出現了三菱與中島兩個不同版本的零戰21型混用的情況，於是從方便維護保養的角度出發，部隊希望兩種21型從外形上可以進行有效的區分，於是中島版零戰21型的機身兩側的日之丸機徽外圍被額外刷上了白色環形邊框用以識別。
三菱版零戰21型
中島版零戰21型
1942年6月，三菱工廠開始轉產2號零戰（A6M3 即零戰32型），然而由於續航力低下等原因，新型機出乎意料的並沒有得到前線部隊的好評，於是海軍方面決定縮減新型機的產量，採取了三菱生產新型的32型，中島繼續生產21型的策略。
同年11月，依照新的海軍制式飛機型式名稱命名基準，1號2型和2號零戰的名稱正式變更為零戰21型和零戰32型。而在此時中島生產的零戰21型的月產量已由最初的20架提升至月產80~90架的水平。並且在1943年2月以後月產量進一步攀升到了100架以上。進入1944年，中島仍然繼續生產著零戰21型，其1944年1月份的單月產量竟238架之多，而在同月三菱生產的零戰52型也才僅有區區125架。整個大戰期間更是生產了共計2821架，是三菱版本零戰21型生產總數量740架的3.8倍。成為了日本在二次世界大戰初期名副其實的主力戰鬥機。
零式艦上戰鬥機21型性能諸元
全寬巡航3350千米（掛副油箱）/巡航2222千米（內油）
全速30分鐘+2530千米（掛副油箱）/全速30分鐘+1433千米（內油）
武裝翼內20毫米機關炮X2（各備彈60發）
機首7.7毫米機槍X2（各備彈700發）
然而，儘管零戰作為日本海軍艦載機的絕對主力擁有出色的性能，在戰爭初期特別是在中國戰場表現出色，但該機在設計和生產上仍然存在著不少未及解決的隱患和缺陷。這些問題雖然在中國戰線作戰時尚不引人注目，但在太平洋戰爭爆發之後，隨著戰爭烈度的不斷升級，敵方飛機性能的不斷提升，這些缺陷和隱患便逐漸暴露了出來。
零式艦上戰鬥機設計上自始至終都存在著在高速狀態下輔助翼沉重操控困難的問題。因此在高速狀態下零戰飛行員幾乎無法做出橫滾的戰術動作。
在儀錶速度不超過380千米/小時的狀態下，可以隨心所欲的進行滾轉，這是零戰的特長。然而一旦錶速達到480千米/小時，零戰輔助翼操縱就會開始變得沉重起來。當超過580千米/小時的時候，輔助翼的操控就會變得無比沉重，以至於依靠人力無法做出滾轉的動作。
而敵方戰鬥機飛行員在與零戰交手的過程中，發現了這個弱點，於是創造出了可以壓制零戰機動優勢的特殊戰術。
即在正常接戰條件下，儘可能地保持高速的狀態，再充分利用零戰無法進行高速滾轉的缺陷，主動進行高速滾轉，在這種狀態下零戰快速敏捷的盤旋能力就會出現劇烈下降，零戰超強的空中格鬥優勢也就無從發揮了。
部署在航空母艦上的零戰21型
關於零式艦上戰鬥機設計上存在的一些問題，主任設計師堀越二郎是這樣回憶的：
「應該說，高速狀態下操縱困難的問題，究其根源可以追溯到戰爭爆發之前。那時候日本的飛行員普遍認為判斷一架戰鬥機性能是否優秀，其最為重要的評價標準就是該機是否具備有儘可能小的盤旋半徑。除此之外，還有一項被視為與盤旋能力幾乎同等重要的性能，那便是要求戰鬥機要具有在低速條件下可以向任何方向進行快速橫滾的能力。
換而言之，最小的盤旋半徑意味著飛機要採用低翼載設計，也就是說機翼的面積和翼展都要選擇的儘可能的大。而要實現低速條件下的快速滾轉能力，也需要進行精心的設計，因為要達成這個目的同樣需要選擇面積較大的輔助翼才能實現。
正在維護保養中的零戰21型
而以上的設計，又與零戰作為艦載戰鬥機的使用要求相互吻合。因為要想在狹窄的飛行甲板上進行起降作業，低速狀態下平穩且敏捷的操作性能同樣也是必須要具備的性能指標。
實際上早在12試艦戰原型機的試飛階段，試飛員就經常抱怨說該機的輔助翼在高速狀態下的操控存在十分嚴重的問題。可是，要從根本上解決這個問題，那麼就會犧牲掉戰鬥機在低速條件下的空戰性能。所以這也是沒有辦法的事情。雖然後來我們為了解決輔助翼操作過於沉重的問題也採取了一些臨時性的措施，但基本上都沒有取得什麼太大的效果」。
零式艦上戰鬥機32型
隨著在「榮」12型基礎之上配備2速機械式增壓機的中島「榮」21型發動機的研製獲得成功，1941年初，海軍方面向三菱下達了研製搭載該發動機的新型零式艦上戰鬥機（A6M3）即後來的2號零戰的試作指示。
中島 榮21型 14氣缸星型氣冷活塞發動機
所謂2速增壓機是指將進氣渦輪（對吸入空氣進行壓縮提升其密度的風扇）的旋轉速度分成高、低兩個檔位，當在空氣密度稀薄的高空飛行時就把渦輪的轉速調至「高」擋位，以提高壓縮空氣的效率，降低發動機的功率損失，提升飛機的高空飛行性能。除此之外，在起飛初始速度較低進氣量較少的時候也可以將增壓機的轉速調至高位以提升發動機的起飛功率。因此榮21型發動機的起飛功率（1130馬力）相比榮12型提升了約20%左右。
被海軍寄予厚望的榮21型發動機
海軍方面對於新型零戰的要求是在保持1號零戰（A6M2）優點不變的情況下，儘可能的提升包括速度、爬升以及高空性能等在內的綜合性能。
1號零戰儘管空戰機動性能優良，但由於機翼採用了大展弦比的設計，滾轉性能不佳，輔助翼沉重。為此新型零戰將機翼兩端各縮短了50釐米，同時廢除了1號零戰的摺疊翼尖設計。由於縮短了翼展減少了機翼總面積，降低了空氣阻力，再加上發動機功率的顯著提升，設計人員理所當然的會對2號零戰的飛行性能充滿期待，然而1941年7月，A6M3試作1號樣機的測試結果卻令所有人大跌眼鏡。樣機的最大平飛速度僅僅提升了11千米/小時，爬升和滾轉能力提升的也不明顯，水平盤旋能力反而出現了下降，特別是加裝2速機械增壓機後發動機的耗油量遠遠超出了計算的結果，致使2號零戰的最大航程由1號零戰的3000千米暴跌至2375千米。
零戰21型與零戰32型翼尖部存在的差別
這樣的結果同樣令海軍方面感到大失所望，換做以往這樣的性能或許是不可能被投入量產的，但太平洋戰爭爆發後的局勢令海軍方面別無選擇，考慮到新型的A6M3的性能水平儘管未能達到計算值，但速度、爬升以及高空性能等方面相比1號零戰還是略有提升。續航力方面存在的缺陷，如果集中部署在無需進行遠距離作戰的基地航空隊，那麼問題應當也不會太大。於是從1942年6月開始A6M3正式以零式2號艦上戰鬥機的名義在三菱工廠正式投入批量生產。
後依照新的海軍制式飛機型式名稱命名基準，零式2號艦上戰鬥機被改稱為零式艦上戰鬥機32型。
零戰32型翼內搭載的20毫米機炮的備彈量由21型的60發增至100發
最早裝備零戰32型的部隊是於1942年5月31日在橫須賀新組建的第2海軍航空隊。該航空隊為混合編成的基地航空隊，裝備艦上戰鬥機和艦上爆擊機（俯衝轟炸機）各16架，1942年8月6日奉命進駐日本陸海軍在東南亞所羅門方向最大的根據地拉包爾。
然而，就在該部隊抵達拉包爾的第2天，美軍就在瓜達爾卡納爾島實施了登陸，正式吹響了盟軍在東南亞方面對日反攻的號角。這一突如其來的變化完全打破了海軍方面對於零戰32型運用上的如意算盤。
接到美軍登陸的消息以後，日本海軍立刻召集已經在東南方面展開的各基地航空部隊下令實施反攻。然而拉包爾距離瓜達爾卡納爾島往返距離超過2000千米，再算上空戰帶來的巨大燃料消耗，在這樣遙遠的地方進行作戰即使是對於最大航程達3000千米以上的零戰21型而言也是勉勉強強，「腿短」的32型，更是無論如何也做不到的。
部署在日本本土的零式艦上戰鬥機32型，隨著日軍從東南方向不斷敗退，缺乏使用價值的零戰32型大多被調回本土，在練習航空隊等次要單位度過剩餘的服役生涯
那麼，可不可以在更靠近瓜島的島嶼上建立前進基地以解決續航力的問題呢？這個問題也並非像看起來那麼簡單。
當時日本的基建工程部隊施工方式仍然以依賴傳統的人力手工作業為主，談到工具無非就是十字鎬，土筐，鐵鍬，石碾之類而已，再加上東南亞的熱帶島嶼上幾乎沒有現成的平地可用，要修建機場必須先砍伐茂盛的椰林或原始森林平整土地，因此要建設擁有1000米級別跑道的機場至少也要3個月時間。而美軍擁有先進的機械化裝備，使用推土機，挖掘機3天時間就可以開闢出1條跑道，1周就可以建成1座機場。
因此在新機場建成之前，零戰部隊至少要以拉包爾為基地戰鬥3個月。這樣重要的作戰，最新銳的零戰32型卻不能參戰的現實，給予了海軍以極大的衝擊。以至於事態嚴重到了當時的海軍航空本部長為了承擔責任提出辭職的程度。釀成了日本海軍史上有名的「2號零戰問題」。由於在瓜島戰局最為艱難的三個月內未能參戰，32型幾乎遭到了前線將士一致的惡評，於1942年12月僅生產了343架之後便宣告停止生產，成為了僅次於零戰11型62架之後，產量第2低的零式艦上戰鬥機。
零式艦上戰鬥機22型
面對瓜島嚴峻的局勢，為了「恢復」零戰的續航能力，海軍立即向三菱下達了研製「2號零戰改」的指示。主要的改進項目為，在兩側外翼再追加2個容量為40升的內置燃料箱，翼展重新恢復為與1號零戰相同的12米，翼尖重新採用可摺疊設計。
恢復了摺疊式翼尖的零戰22型
2號零戰改的試作樣機於1942年11月製作完成。試飛結果表明該機基本上恢復了與1號零戰相當的續航能力。於是立即投入批量生產。由於發動機等主要子系統未做大的變更，因此A6M3的編號仍保持不變。1943年1月29日，2號零戰改正式以「零式艦上戰鬥機22型」的名義定型裝備。
然而令人感到諷刺的是，22型正式裝備部隊的時候，圍繞瓜島的攻防戰已經以日本方面的失敗而告終，續航能力的恢復已經不再具有當初那樣重要的意義。與此同時美軍已經開始在東南亞戰線部署F4U海盜等配備2000馬力級別發動機的新式戰鬥機，其他各種型號的作戰飛機的火力和防護性能也都得到了顯著的增強。在這種情況下零戰的速度和火力也有必要實施進一步的升級。於是22型的生產也於1943年8月，僅僅製造了560架之後即宣告終止。
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