1937年，日本海軍為尋求九六式艦戰的後繼機，提出了新型艦上戰鬥機的規格要求：馬力必須比九六式艦戰高20%、重量僅能多出40%、操作性必須和九六式艦戰相當、續航力比照雙引擎飛機(也就是九六式陸攻)，並能在500km的時速下以3分30秒爬升至3000m。這種幾近苛求的技術規格，不論對海軍或所有的製造廠來說都是一大挑戰

        當時三菱的主任設計師堀越二郎所率領的原九六式的技術團隊，為了達到上述的規格，必須對機身減重。三菱大膽的使用使用住友金屬新開發的高強度超硬鋁合金來製作結構，這種鋁合金比當時其他戰機所使用的鋁合金抗拉強度強上了約0.5倍，因此可以大量的減少結構的重量，而且在零戰上更利用焊接減少铆釘的數量來偷輕，這使得機身更加的輕盈。而新機上也採用了九六式上採用的兩葉式恆速變距螺槳、沉頭铆釘和可拋式副油箱的設計，並導入了伸縮式起落架、長淚滴型座艙罩以減低風阻，並加裝九九式一號20mm機砲以用來對付重防禦的目標。三菱在1939年完成原型機後，被命名為十二試艦上戰鬥機，由於競爭的對手中島會社在中途退出，因此三菱在1940年正式取得日本海軍的制式採用，並名稱正式改為零式艦上戰鬥機，也因此被簡稱為零戰。而在後續出現的第三號原型機上，除了將原本使用的"瑞星"一三型發動機換裝成重量更輕、馬力更大的"榮"一二型發動機，由於"榮"發動機的排氣管位置和"瑞星"發動機不同，因此排氣管位置移到了整流罩的下方。另外也換裝了三葉式的恆速螺槳，並對翼面的強度進行了補強，因此在換裝之後的機型被稱為一一型，編號為A6M2，這是為了和搭載瑞星發動機的A6M1進行分別

        1940年7月，海軍派遣了15架零戰一一型到中國戰場上進行實戰測試。由於之前日軍沒有足夠航程的戰鬥機可以護航九六式陸攻，因此從新竹出擊的九六式陸攻往往在中國內地遭到國軍戰機的猛烈攻擊，損失十分慘重，特別是在擁有俄製的I-16戰機後這個問題更加明顯，因此這些零戰最早是用來護衛九六式陸攻進行轟炸任務。隨著戰況發展，國軍體驗到這些全身漆著灰白色的戰鬥機並不是好惹的對手，在多次的空戰中國軍的許多戰機都遭到零式擊落，甚至連當時裝備最為優良的美國志願航空隊(也就是飛虎隊)都對這些戰機沒輒，因此出現國軍最黑暗的"躲警報"時期。這時飛虎隊的隊長陳納德將軍曾發了一封電報給華盛頓，提到這些性能優異的日本戰鬥機，不過卻沒引起美軍高層的重視，最後這些戰機就成為了大戰初期盟軍的惡夢

        1941年開始，零戰進入了大量生產的階段，需求量大到三菱本身的工廠都無法滿足海軍的需要，因此從1941年11月起，零戰也授權中島飛行機生產，以滿足海軍的需求。由於為了減少佔用空母上空間，一一型上加裝了能將主翼翼端各折起50公分的人力主翼折翼裝置，並稱其為二一型。雖然和一一型相同的採用A6M2的編號，不過由於部分設計上的不同，因此也被細分A6M2a(一一型)和A6M2b(二一型)。部分的二一型則使用結構更強的機腹掛架，以掛載250公斤炸彈充當戰鬥轟炸機使用

        在大戰初期，這些配屬在各個海軍機場和空母上的零戰，靠著自身優異的格鬥能力和強大的續航力，如同秋風掃落葉般的清空了太平洋和印度洋戰區的盟軍戰機，成為盟軍戰機飛行員的惡夢，並代表艦上戰鬥機的能力已經能和陸基式的戰鬥機互相對抗，甚至比陸基式戰機的性能更加優秀

        但儘管零戰的水平運動能力出眾，可以輕易的在纏鬥中鑽入敵機的內圈中，並且在掛載副油箱時續航力達到3110km，因此使得零戰能夠護衛當時海軍的九六式陸攻或一式陸攻等轟炸機深入敵境進行大規模破壞，並能從對方戰機無法攻擊的範圍外出擊。不過零戰優異的性能，卻是犧牲裝甲防護而來的，只要遭到敵機的攻擊，零戰很容易就化成一團空中的火球(雖然防護力還是比隼來的好)，不過早期的作戰中，盟軍的戰機用傳統方法根本連摸都摸不到零戰，更別說對他開火了，因此這個問題並沒有顯示出來。不過日軍在中途島海戰中敗北，322架戰機及許多那些在初期作戰中讓盟軍感到棘手的老手們隨著四艘空母沉入了海中，日本的空中力量瞬間就損失了大半，加上美軍在1942年後期，正當日美雙方在所羅門群島僵持不下時，格魯曼和強斯•沃特分別推出了F6F和F4U兩種搭載著2000匹馬力發動機的戰機，使得馬力僅有一半的零戰二一型在速度上吃了鱉，縱然零式的纏鬥能力仍然優秀，可是面對最高時速超過600公里的F4U，或是裝甲堅固、防護完善且時速在580公里以上的F6F，只要他們不想玩纏鬥，零戰根本拿他們沒有辦法；另外陸軍機場也進駐了以高高度飛行著名的P-38，只要維持在高空，縱使P-38的纏鬥能力不佳，零戰對P-38的高空飛行能力也沒有任何對策。更重要的是零戰因為過度的要求低翼負荷和輕量化，在俯衝的速度上完全跟不上其他的美製戰鬥機，而且高速俯衝時就算是以高迴旋能力著稱零戰也會發生翼面效應不佳的狀況，這使得零戰二一型在1942年後期的戰鬥中吃足了苦頭

        有鑑於三二型和二二型仍無法滿足前線要求，三菱在1942年底對零戰進行大幅度的改良計劃，另外在原本三二型的發動機上導進了獨立式的排氣管，這種排氣管不像舊式的排氣管採用將各缸的排氣管連結成總管排出，而是將各缸的排氣各別向後導出，這能使各缸的排氣背壓降低，排氣效率更佳並對機身有些許的廢氣噴射效果。而會加重的主翼的折翼裝置被拆除，改善的方法是減少戰機的翼展並加大原本的翼面。經過修改後的零戰被稱為五二型，五二型的時速提升了約30km，並有更優秀的綜合表現，航程雖然較為下降，不過仍有1920km的優秀表現，昇限也大幅提高，使五二型比之前機種在和美機格鬥時更有優秀的表現。而五二型乙則是在將五二型其中一挺7.7mm機槍換成了13.2mm機砲以提升火力，因此五二型乙發動機整流罩上的機槍恐有一大一小的狀況。隨後出現的五二型丙是日本海軍前所未有的重武裝機種，五二型丙在機翼上個加裝了一挺13.2mm機砲，不過由於沒有裝備強力的增壓器和馬力，縱使使用了水/酒精注入裝置，優秀的火力仍然不能拿來有效的對付美軍的戰鬥機。其實在1943年底時零戰的設計已經落伍，偏偏他的後繼機A7M"烈風"在研發上遇到前所未有的重大困難，換來的結果便是五二型系列的大量生產，五二型也是零戰中產量最大的一種

        而於1944年後期出現的五四型(A6M6)則是三菱將五二型丙強化防護力，並首次導入自封式油箱和裝甲板、防彈玻璃等強化防禦的設計，並將發動機換成裝置兩段式增壓器的"榮"三一型發動機，在經過這些改良後，五四型的空戰能力足以媲美美軍的F6F，不過由於後來中島的發動機工廠被盟軍轟炸所摧毀，導致裝備"榮"三一型發動機的五四型僅只有一架原型機，其餘剩下的五四型則換用了三菱自家的"金星"六二型發動機，改型號為五四型丙(A6M8c)，五四型算得上是零戰家族中的特異份子

        至於最後出現的六三型則是日本海軍原本想要用來在那些短甲板的輕空母和改造空母所設計的俯衝轟炸機。六三型基本上還是從五二型丙發展而來，不過為了承載重型炸彈，機腹換用了新型的中線掛架，但是這個新型掛架的投彈裝置毛病百出，在多次測試時都無法把炸彈成功投出，因此後來變成在座艙前方、機腹中線掛架上掛載重型炸彈，機槍全數取消的特攻機型，並和相同為自殺機的彗星四三型一同擔任神風特攻隊的自殺任務

        零戰在漫長的服役生涯中，也出現了許多的衍生型。最特殊的衍生型就是由中島飛行機在1941年12月完成試飛的二式水上戰鬥機(A6M2-N)，二式水戰機腹擁有一個大型的浮筒，兩翼則各有1個輔助的小型浮筒，機身仍然是零戰二一型的構型，不過為了方便在水面操作，尾舵做了一些改變，並加大了控制面，由於不需要起落架，因此二式水戰的機翼下可各另外攜帶1枚60kg的炸彈。這些水上戰鬥機被部署在執行通商破壞的特設水上飛機母艦上，並常用於島嶼侵攻戰中，並在阿留申群島有極為優秀的表現(因為阿留申群島的機場是建築在沙灘上，往往在夏季時因海浪拍打受到損壞，而水上戰鬥機可從海面起飛，不需要顧慮機場的問題)；另外一種衍生機型則是有縱列式座艙的零式雙座戰鬥教練機，零練一一型(A6M2-K)是由二一型衍生而來，並有前後座兩種不同的操作系統，教官於後座指導飛行，學生則用敞開式的前座練習駕駛，必要時可切換由後座操控，另外零練也有衍生自五二型的零練二二型，由於零練必須增加一個座艙，機身油箱空間較少、航程有限，雖然具有戰鬥機的功能，但卻少有當成戰鬥機使用的紀錄

        零戰的各種生產型共生產了10937架(不包括二式水戰的327架)，其中6218架是中島飛行機所製造，相較之下三菱才製造了3880架，因此有人也戲稱為"中島的零戰"。零戰的生產數量約佔日本海軍所有單座戰鬥機總數的2/3，也是日本軍用機生產數字的第一高位