零式舰载战斗机的主要型号
十二试舰战（A6M1）
十二试舰战作为零式的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，3600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）。原型机机鼻上层结构中安装了两挺7.7毫米九七式机枪，机翼内安装了两门20毫米九九式机炮。
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，在那个年代，战斗机配备装甲防护并不是国际流行趋势。当时教条主义观点认为：战斗机唯一要素就是空战，为了在一对一的缠斗中获得先机，最好的防御就是速度和优越机动性能，“加装甲是懦夫行为，因为他会让战斗机飞行员依赖”（海军技术高层源田实语）而且日本航空界多数也支持这种声音。掘越对此也曾经提出过异议。最终因为苛求指标而放弃了辩驳。取消了飞行员的防护钢板和自封闭式油箱，这些都成为日后的致命缺陷。
原型机1939年3月完成，4月首飞，由于前两架原型机三菱坚持使用自产引擎的结果是性能未达指标，因此从三号原型机起海军审查部强行责令更换成中岛"荣"12型发动机（一级增压，定额高度输出功率950马力）。
零式一一型（A6M2A）
通过进一步的试飞后发现A6M1在3800米高度时最大速度490公里，比规格书中要求的略低，所以在1939年5月1日，按照先前约定海军让三菱公司在A6M1第三架原型机安装中岛荣12型发动机以提高性能。荣12型也是双重14缸星形发动机，比瑞星13功率、重量、直径都大一些。
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。加上3号原型机到8号原型机等6架，此型零式战斗机共生产64架。
日本海军航空队获悉本土十二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A6M2A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。
1940年7月，从9号机后的15架十二试舰战进驻中国汉口机场，最终有40架十二试舰战进驻当地。7月31日，日本海军正式装备十二试舰战，在汉口当地调整后，十二试舰战正式命名为“零式舰上戦闘机一一型”，简称零式一一型。同样以类似方式取名的，还有日本百式司令部侦察机。但零式战斗机的水上型号---二式水战在1942年7月加入服役之后，日本海军便废除了这种冠名模式（例如1942年开始研制的零式战斗机后继机A7M，便取名为“烈风”）虽然定名叫舰载战斗机，但并没装上航空母舰降落所需的尾勾，仅能作为陆基战斗机使用，实际定义上是偏向陆基普通战斗机的。
原本日本海军将零式战斗机派驻到中国战场的目的是以机场防卫为主，但是零式战斗机的航程正好提供重庆轰炸的海航轰炸机最好的掩护。后续中日仍发生数场空战，零式战斗机的压倒性优势依旧，这让日军在1942年以前以零式战斗机取得中国战场的制空权。当时仍为国府空军顾问的陈纳德虽然很快地向美军提出报告警告日军新锐战机的压倒性能，但当时美军并未认真看待。
零式二一型（A6M2B）
从零式二一型开始零式战斗机在机尾加上着舰钩与远航必须的无线电定位设备，成为真正的舰载战斗机。日本空母的升降机仅比零式战斗机一一型的12米翼展稍宽，一旦有运送疏失很容易让机翼受损；考量空母上运作的便利性是设计舰载机时必须考虑的要项之一，崛越团队的解决答案是将两侧的弧形主翼翼端重新设计成能以人力向上折起50厘米的形式，以利于舰载作业。零式二一型是日本海航初期的舰载主力战斗机。拥有著名的坂井三郎、西泽广义、笹井醇一等功名显赫王牌的台南航空队，最辉煌的时期也是以本机作为主力。
太平洋战争初期，日本海军有300架零式战斗机，其中有250架用于太平洋战区，全部是零式战斗机二一型，参与了偷袭珍珠港和菲律宾攻略战等战役，到1942年时零式战斗机21型三菱生产了740架.中岛生产了2821架，可说是太平洋战争前期的当家台柱。那时的盟国因准备不足，也缺乏对零式战斗机特性的正确分析，因此采用错误的一战体系空战战术导致接连惨败，因此可以说正因为零式战斗机二一型的活跃造就了不败的零式战斗机神话，其明灰色（今日考证为饴色）涂装也成为零式战斗机神话的象征。盟军自此型零式战斗机开始称其为"Zero"而对之投予高度的敬畏，并将此代号沿用至往后所有的零式战斗机系列。
1943年，横须贺第一海军航空技术厂曾试图将涡轮增压系统装在两架A6M2身上，并取名为A6M4，但遭逢一连串的失败后，计划不了了之。
零式二一型练习型（A6M2K）
零式二一型练习战斗机是零式二一型战斗机的双座教练机，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A6M2K，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A6M2K还被改为拖靶飞机，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。
二式水战（A6M2N）
在1937年侵华战争爆发后，当时空战技术还是在拼比回旋格斗性能，具备良好机动性的水上飞机成功的和中国空军战机互角不说，甚至还有击坠对手的成绩，这让日本海军认为未来水上飞机仍有用于空战的潜力。在1939年决定开发专业的水上战斗机，代号“十五试水上战斗机”，也就是后来服役的“强风”水上战斗机。
不过，强风开发遭遇困境，没办法届时服役；日本海军在1941年决定南进政策后，非常需要在缺乏机场等基础设施的南洋群岛作战，所以需要更多性能优秀的水上飞机。为了尽速构成战力，日本海军打起了刚服役的优异战机---零式战斗机的主意；日本海军对中岛飞机委托，要求它们将零战一一型改造为水上战斗机。之所以找上中岛，一方面是因为三菱重工当时正忙着量产零战与一式陆攻抽不出空余；而中岛在代工零战，对零战设计并不陌生，而且又研发过许多种水上飞机，实为最适合的选择。
中岛在1941年初接获命令后，由三竹忍工程师负责设计，以零战一一型为母体改造。经过11个月的改造工程，原型机在1941年12月8日首飞，测试结果良好；1942年7月6日正式定型称“二式水上战斗机”。
量产的二式水战主要配备给第海军航空队及第十四海军航空队（1942年改编号为八〇二海军航空队），北至阿留申群岛，南边在马绍尔群岛等地从事各种空中行动，包括攻击敌军基地、海上巡逻等。
不过，二式水上所谓的良好空战性能终究是水上飞机标准，比起1940年代量产的战斗机与新型空战概念没多少优势可言，了不起就只能作为驱赶侦查机或轰炸机用而已。量产时间仅有1年，1943年9月便停产，这批战机后续主要用于巡逻任务，也一些有作为自杀特攻使用。到1945年日本战败时，日本国内尚存24架，不过这些落后的飞机盟军也没兴趣带回国内研究，剩余的机体在1945年12月集中焚毁。而二战结束后仅有日本筑前町立大刀洗和平记念馆收藏二式水战主浮桶，不过并未公开展示。
零式三二型（A6M3）
零式三二型1942年4月开始量产，吸收经验更换装有一级二速增压器的荣二一型发动机（1130匹马力），一方面提升速度及爬升率，也稍微改善高空的输出状态。因引擎增重60公斤之故而使重心前倾，基于配重的理由将前机身的油箱容量减少以恢复机身纵向平衡。并将二一型主翼翼端可往上折叠的圆弧套件取消，直接改成方形翼端以缩短翼幅。这些改进减轻了航舰地勤人员的负担，并使三二型借此提高了速度/加速性/滚转率/俯冲速限，变得更适于和倾向高速打带跑与擅用滚转的美军战机对抗。但三二型为提升空战性能所付出的代价，是损失了续航力和恶化了失速特性。
原本零式战斗机不易进入失速螺旋的特性消失，不仅造成部分飞行员抱怨，同时很不凑巧的是，三二型服役的时间点正好是美日双方频繁地长距离来回跨岛攻防的瓜达康纳尔血战，仍能算是长程战机的零式战斗机三二型 减少的航程幅度却恰好成为战略布局弹性上的致命限制，航空本部甚至为此设立专案检讨"二号零式战斗机问题"。
基于以上诸多原因，顺应前线改进呼声而提升空战性能 并调整了各项性能权重，身负诸多期待的"二号零式战斗机"却因为无法适应当前新战局的改变，在前线使用者之间对该型号的评价呈现两极化。 零式战斗机三二型的产量因此仅停留在343架。这也促成了长程化"零式二二型"诞生的契机。 但在之后日军开始后撤的战局下，三二型的航程问题不再明显，反倒是与美军战机对战相性上的优点渐渐突显出来：
1943年春，根据小福田少佐汇编的“依据战训所成战斗机用法之研究”报告之中，提及"短翼展零式战斗机"在高速下滚转性能较先前型号来得轻快，利于当前空战战局。
另外盟军一向称零式战斗机为"Zeke"，但本型登场时因其翼端特征而使在空战中多半仅能以剪影判别敌机的盟军飞行员将其误判为敌方新机种,而赋予了新代号"Hamp"。美国海航于1943年6月修订的日本军机识别手册中评价本型号为“南太平洋战区中最需要高度注意的日本战机之一”。可以说一定程度上肯定了该机的威胁性。
零式三二型的翼内炮仍是九九式1号炮，但改良弹鼓将炮弹基数增加至100发。
零式二二型（A6M3）
零式二二型是为了弥补三二型在航程运用上的问题而急遽开发并投产的型号。自1942年末开始生产。全为三菱制造。
该机以先前的三二型为基础，在左右翼内各加上一个45升油箱，为弥补增加的重量 并依据部分驾驶对三二型方形翼端的失速特性之抱怨，改回二一型的长翼展弧形翼端主翼，恢复了失速特性的同时也透过增积将三二型升高的翼负荷补偿回来。
此举确实增加了航程，但滚转能力与俯冲速限则又退回二一型时的原点。即使如此，因为同时拥有三二型强化过的新动力与近似二一型优良的回旋特性，仍有部分驾驶认为二二型是最均衡的零式战斗机（以当时战局而言）。再次不凑巧的是，由于投入战线的时间点正好是所罗门诸岛攻防战的中期，日军在所罗门诸岛分设了多处前线基地，特意增加的航程在此时显得意义薄弱…
零式二二型的后期生产型改用加长炮管的九九式2号炮，此谓零式二二型甲。此种提高贯穿力、弹道特性与射程的新款机炮，之后也用于零式战斗机五二型。
零式五二型（A6M5）
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P-38闪电，海军F6F地狱猫和F4U海盗。
P-38重型战斗机在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。而美国海军的F6F地狱猫在1943年9月1日首次出战，当日就击落了日军一架二式大艇 。1943年11月11日，F6F与F4U的混合编队在拉包尔上空与日本战斗机队进行了猛烈战斗，击落了近50架日军飞机。F6F安装有防弹玻璃，要害处都有装甲，提升了飞机受损后的生存能力。
在A6M4失败后，由于原本预定取代零式战斗机的后继机A7M“烈风"在发动机问题上持续无法解决、开发进度严重落后；此致命问题使烈风无法顺利在1943年开始量产，继而取代零式战斗机成为新一代的海军舰载主力战机。于是三菱开始了A6M5的研制，为了追求更好的战斗性能（特别是俯冲速度），第904架（A6M3）零式被用来改装成A6M5原型机。
这项工程由原崛越二郎零式研制小组成员高桥氏负责，崛越这时正全心投入J2M雷电的研制。A6M5改进很大，主翼重新设计，翼面蒙皮更结实，翼尖仍为圆形，但不可以折叠。机翼与A6M332型类似，翼展11米，翼面积21.3平方米。A6M5各改型中逐步强化机身结构以及加装防弹装甲与自封油箱，A6M5保留A6M3的武器、机翼油箱和发动机，另外为每个气缸配备了单独的排气管，增加了一些额外的动力。1943年8月A6M5首飞，尽管A6M5比A6M3型重了200千克，由於换装较大马力发动机的希望落空，在不得不继续采用原有的荣二一型发动机，却又迫切需要提升性能之下，三菱使用了较新理论的技术，将整流罩叶片下的排气管改为分离短桩式（即所谓独立式推力排气管），在马力不变的情况下藉废热排气推力把A6M5在6000米高度最大平飞速度提高至565公里/小时，更重要的是最大俯冲速度达到了660公里/小时。
真正造成零式战斗机后期型印象不佳的背景因素，乃肇因于零式发动机功率没有美军来的大，造成美军的F6F可以在急速俯冲下摆脱零式的追击，但是在日本换装同等级功率的紫电与紫电改之后F6F便不再拥有马力优势。零式二一型的好评除了操控轻巧以外，另一重要原因就是当时面对的盟军战斗机无论在爬升率或回旋性能上都远逊於零式，且盟军对零战的认识不足又使用了错误的战法，造成零战初期在太平洋与中国战场势如破竹。
1943秋A6M5进入一线单位服役，海军型号零式舰上战斗机五二型。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F6F地狱猫，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在马里亚纳海战首次参战，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地狱猫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“马里亚纳猎火鸡大赛”。
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。
尽管性能比不上F6F地狱猫和F4U海盗，机体性能的差距固然是主因，但日方新手驾驶员的飞行时数开始不足导致技术低落、而美方却因为先前主力的F4F等机种生存性高而保全了相当数量的历战老手，经验得以传承给新进人员外也能在换装新机种的当下就驾轻就熟的采用正确战术发挥威力，敌长我消的态势下使得零战五二型的劣势更加显眼，提前宣告了此机种从登场开始即告落伍的事实。
即使如此，原属应急的零战五二型系列在海军後继机种的开发与服役皆严重延迟的困境下不得不延命发展，使其成为零战系列中产量居冠者。
零式五二型甲/乙（A6M5A/B）
出于对更强火力和更高俯冲速度的要求，1943年末，出现了零式五二型甲，它继承了五二型的厚蒙皮机翼，最大俯冲速度达到740.8公里/小时，几乎达到了欧洲同时期的标准。并将弹鼓供弹系统改为弹链供弹，因此更能妥善利用翼内空间 得以将每门机炮的弹药基数由100发增加至125发，机翼20毫米99式2号炮3型机炮改成99式2号炮4型。A6M5A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。
之后，又出现了改良的零式五二型乙，乙型把机首右侧机枪由7.7mm口径九七式机枪改为13.2mm口径三式机枪，因此鼻罩变成右边是大枪孔而左边是小枪孔的不对称布局。在油箱和发动机加上自动灭火器，座舱罩的前风挡正中央改用防弹玻璃，并将座椅后方的8mm防弹钢板列为选用套件，另外乙型还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。
自零式五二型开始，一向给人印象脆弱的零式战斗机在遭受美军6挺12.7mm机枪多次射击后没有起火或爆炸，驾驶员存活的纪录与证言开始增加。
零式五二型丙（A6M5C）
这时候三菱方面改任佐野荣太郎为设计师。零式五二型丙把当时已近乎是"无效火力"的九七式7.7mm机枪取消，而把13.2mm的三式机枪增至三挺（保留机鼻右侧的一挺、并追加两挺在翼炮的外侧位置），同时将座椅后方的防弹钢板列为标准配备，还可以选择装备保护驾驶员后头部的55mm厚防弹玻璃。后机身内增设140升油箱以弥补大幅增重下的燃费损失，机翼下加上火箭发射架则可选择将火箭空射藉以攻击大型机 或对地炸射时增加打击力，提升了实用性。但这些增设装备令零式战斗机的重量暴增。
设计师当然知道要相应的提升动力 以尽可能的缩小性能减损幅度：原本预定换装三菱的金星62型发动机（1350匹马力）但后来考虑到后勤整合性与引擎直径后，又计划改装具备甲醇/水混合液喷注加力装置、能在不修改机鼻整流罩前提下直接提升输出的荣31型发动机。但最终两者的开发都出问题而使安装计划落空，五二型丙唯有续用荣二一型发动机苦撑。
动力不变而重量暴增之下，理所当然地严重影响了飞行性能。当时受领的使用单位不是将其规划为对付轰炸机用的拦截机，就是私下拆去翼内的机枪和防弹钢板 当成先前的五二型甲/乙使用。也因此零式五二型丙被普遍认为是零式战斗机系列当中飞行性能最差的。(事实上本机型的飞行性能还不是零式全系列中最差的)
零式五二型练习型（A6M5K）
零式五二型练习战斗机是零式五二型战斗机的纵列双座教练型，编号A6M5K，外形与A6M2K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。研制成功后日立公司负责生产，但产量稀少，到1945年3月只生产了7架。由于太平洋战争局势的恶化，需要更多的作战飞机，A6M5K这种教练机便停止生产。
零式六二/六三型（A6M7）
以零式五二型丙为基础改进而成的战斗轰炸机型，亦称"零式爆战"。
计划中将搭载荣三一型发动机的五三型作此项改装后称之为六三型，改装荣三一甲 / 乙型发动机的五二型丙作此项改装后则称之为六二型。但因具备注水加力系统的荣三一型发动机 其开发延至此时妥善性依然无法过关，安装计划持续跳票导致实际服役的六三型与六二型几乎没有不同。
于是在动力没有变更、重量却更进一步超越先前五二型丙的状况下，零式战斗机六二型拥有了全系列最高的火力/防御/泛用性，却也没有哪项性能足以胜过同期对手，成了实际上零式战斗机家族中真正的最低飞行性能版。
主要变更点为： 将机腹中线下的副油箱挂架改为250公斤炸弹挂架。 两翼下方则各自追加一个可以携挂150升副油箱的挂架 以补回燃料携带能力。 设计上为了满足俯冲轰炸的需求，不仅水平尾翼的内部结构强化，下部机身的蒙皮也同时增厚。 1945年5月，A6M7定型为零式六三型，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。但在战争末期这等性能水平的零式战斗机显然难有作为，加上此时海军的主力战机已转换为其他更高性能的机种，故本批次的零式战斗机最后多半沦为神风特攻队的自杀飞机。
二战结束后，日本在滋贺县的琵琶湖找到一架零式六三型，现陈列在京都。
零式五四/六四型（A6M8）
三菱重工在战争后期尝尽因应战局必须不断对零式战斗机追加装备、但该机发动机的动力输出始终不能相应提升 造成其性能不断低下的苦果，因此多次向海军要求许可该厂"在零式战斗机机身能相容的前提下、搭载马力尽可能强大的新式发动机" (其实就是不愿受竞争对手中岛牵制，想尽早换装回自厂产品)。最后终于得偿所愿： 此发动机即是经过多次增强动力的试验，成熟的末期版"金星六二型"发动机。拥有1500马力的定额输出，甚至在经过调校后输出功率能达到1560马力。
即使阻力和重量明显增加，试飞成绩依然尚称不恶（至少将零式战斗机的空战性能恢复到与未增重的初期五二型相比 约略同等或以上的水平），拥有全系列中最佳的速度与爬升力。因引擎直径扩大而不得不撤去机鼻右侧的13.2mm三式机枪。在恢复甚至稍微提升空战性能后 该机亦保留了末期五二型的机身强度与防御水平。改装计划一度顺利到进行了改装扳机电门，使得枪炮协同发射之类次系统的细部检讨阶段。
零式战斗机改装长期备受争议的金星发动机而造成预料中航程大减的后遗症，在当时日本已陷入本土防空战的局面下也已不再被视为问题。三菱方面称本型零式战斗机为"顺应战局的正确进化"，海军上层对此结果亦表接受。因此授予此款搭载全新发动机的零式战斗机制式编号A6M8，命名为零式五四型。预定量产化后将称之为零式六四型。
1945年4月，生产出了首架A6M8。飞行测试发现燃料和化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，海军定型为零式六四型投入生产。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。三菱和中岛都打算生产A6M8，总共预定生产6300架，不过由于战争最后几个月的混乱情形，A6M8并未正式交付。
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