В течение всего 1940 г. А6М интенсивно совершенствовался. На истребителе усилили нижнюю обшивку крыла, были также установлены складывающиеся законцовки крыла, уменьшавшие размах с 12 до 11 м, под размер лифтов основных японских авианосцев. Эта модификация называлась А6М2 модель 21. Начиная с модели 21 истребитель начали строить по лицензии и на заводе фирмы Накадзима в Койзуми.
В течение 1941 г. производство А6М продолжало нарастать, и к 7 декабря 1941 г. в частях имелось уже 330 штук. Из 591 палубного истребителя, базировавшегося на авианосцах, 328 составляли А6М.
Утром 7 декабря 1941 г. в составе первой волны атакующих Пирл-Харбор было 183 самолета, из них 43 А6М. Появились и первые потери - при взлете один А6М2 упал в воду, а еще один не смог взлететь из-за отказа двигателя. А6М2 выполняли функцию прикрытия, но в воздухе почти не было американских самолетов.
С аэродрома Уилер взлетели четыре Р-36, а с аэродрома Беллоуз - три Р-40С. Группа Р-36 с А6М не встретилась, а вот Р-40 не повезло - столкнувшись с 6 А6М 2, все они были сбиты.
Вторая волна японских самолетов имела в своем составе 35 А6М2. Истребители занимались в основном штурмовкой наземных целей - воздушных почти не было. После возвращения выяснилось, что в ходе атаки потеряно 9 А6М2. Охрану авианосцев в случае атаки американских самолетов обеспечивали 39 А6М2, не участвовавших в атаках.
Не менее удачно действовали А6М 2 на юге - в Малайе, Сингапуре и Индонезии. После потери 20 января 1941 г. восьми бомбардировщиков Ки.21, шедших без эскорта на Сингапур, японцы стали прикрывать налеты сухопутных бомбардировщиков истребителями А6М2 из состава 22-го сентаи. «Харрикейн» несколько превосходил японский истребитель по скорости и скороподъемности на высоте более 6000 м, но японцы предпочитали не подниматься так высоко. На меньших же высотах маневренность японских истребителей была выше, и, кроме того, А6М2 имели пушечное вооружение и могли поражать «Харрикейны» с больших дистанций. В первом же бою между японскими и английскими машинами было сбито 5 «Харрикейнов» и ни одного А6М2.
Атака А6М2 на Пирл-Харбор и появление этого самолета над Бирмой, Сингапуром, Малайзией и Филиппинами повергли как английских, так и американских пилотов в шок. Широко муссировались слухи о непобедимости японской авиации. Во многом это шло от отсутствия у союзных пилотов боевого опыта. Кроме того, традиционное обучение летного состава было ориентировано на подготовку к ближнему маневренному бою. Но здесь японские пилоты наголову превосходили всех, а их машины были самолетами именно для ближнего маневенного боя. Более крупные и тяжелые истребители союзников неизменно проигрывали.
Первый полет следующей серийной модели - А6МЗ модель 32 - состоялся в июне 1941 г. На машину установили новый двигатель «Сакае»21, развивавший на взлете мощность 1130 л.с. В результате доработки скорость самолета достигла 540 км/ч на высоте 6000 м. Попутно был увеличен боезапас крыльевых пушек с 60 до 100 снарядов за счет перехода от барабанного боепитания на ленточное. Законцовки крыла были изменены на нескладывающиеся прямоугольные. Модификация А6МЗ превосходила все палубные истребители противника в маневренности, а по скорости американские истребители F2A «Буффало» и F4F «Уайлдкэт» отставали от А6МЗ в среднем на 30 км/ч.
К весне 1942 г. стратегическая обстановка была благоприятна для Японии. Из всех первоочередных планов оставалось выполнить последние задачи - захват атолла Мидуэй и Алеутских островов. В этом случае американцы оказывались вытесненными из обширных районов Тихого океана, и осуществление связей с Австралией и Гавайями было бы крайне затруднено.
4 мая 1942 г. началось сражение в Коралловом море. Истребители А6М с авианосцев «Дзуйкаку» и «Секаку» не смогли отразить налет американских самолетов, и «Секаку» получил попадания трех бомб, а легкий авианосец «Сёхо» был потоплен. Получил повреждения, и американский «Йорктаун», а «Лексингтон» был потоплен. К концу мая американцы восстановили «Йорктаун», японцам же восстановить «Секаку» не удалось.
26 мая японцы начали атаку на Алеутские острова. Эта атака предполагалась как отвлекающий маневр в битве за Мидуэй. К Алеутам направились два легких авианосца вице-адмирала Хосагая, а к Мидуэю ушли «Кага», «Акаги», «Сорю» и «Хирю». На всех авианосцах имелись палубные истребители А6М2 и А6МЗ. Именно на Алеутах 4 июня 1942 г., в ходе сражения над Алеутскими островами, истребитель А6М-2 совершил вынужденную посадку на острове Анутан. Почти полностью исправный самолет был доставлен в США и тщательно изучен. Миф о превосходстве японских самолетов лопнул.
Правда, 4 июня, в день начала битвы за Мидуэй, подробных данных об А6М у американцев еще не было. В битве «Зеро» сыграли заметную роль. Первую атаку американских торпедоносцев 4 июня 1942 г. А6М отразили, сбив 7 машин. Позднейшая атака еще 16 американских торпедоносцев также была отражена и А6М сбили еще 8 машин. В 9-28 А6М вновь отразили атаку 14 торпедоносцев, а в 10.16 атака еще 12 торпедоносцев была отражена. Но в 10.24 летчики А6М допустили ошибку. В это время в воздухе находились лишь дежурные звенья А6М, отражавшие атаки низколетящих торпедоносцев. Опасность же пришла с другой стороны - удар нанесли пикирующие бомбардировщики. На палубах японских авианосцев плотно стояли заправленные ударные самолеты с подвешенным вооружением, готовившиеся к рейду на Мидуэй, и бомбардировщики «Даунтлесс» сумели поразить три авианосца из четырех.
Активная модернизация А6М продолжалась, поскольку перейти к выпуску принципиально нового палубного самолета в ходе войны было непросто.
К лету 1942 г. основной серийно строящейся модификацией была А6МЗ, но в ходе начавшегося 2 июля 1942 г. сражения за остров Гуадалканал выявились неожиданные факты. А6М действовали с наземных баз, значительно удаленных от мест воздушных боев, десантирования и наземных сражений. Очень часто увлекшимся боем летчикам А6МЗ не хватало запаса топлива, чтобы вернуться на свои аэродромы. Расход топлива у мотора «Сакае»21 оказался много больше, чем у «Сакае» 12. Посадка же в гористых джунглях Новой Гвинеи почти всегда означала потерю самолета, а зачастую и летчика. На А6МЗ стали подвешивать бак в 45 литров, но поскольку А6МЗ имел меньшую площадь крыла, чем А6М2, а взлетный вес вырос, управляемость ухудшилась, и пришлось ввести вновь старые округлые законцовки крыла. Этот вариант именовался А6МЗ-ко или модель 22. Битва за Гуадалканал окончилась в феврале 1943 г. поражением японцев. Исход воздушных сражений определялся теперь не маневренностью японских машин, а дисциплиной американских пилотов, все шире применявших тактику «ударь и убегай». Кстати, столкнувшись с А6МЗ, американцы поначалу приняли его за новый самолет и дали А6М новое имя - «Хэмп». Это усилило путаницу, поскольку А6М уже имел среди союзников кодовые имена «Хэп» и «Зек» - от «Иезекиль».
В боях на Новой Гвинее А6М встретились в воздухе с целым рядом самолетов союзников. Р-39 «Аэрокобра» справлялся с А6М с трудом - низковата была скороподъемность и было много отказов 37-мм пушек. Однако если пилоту Р-39 удавалось попасть в А6М, то зачастую последний просто полностью разваливался. Р-38 «Лайтнинг» выглядел значительно лучше Р-39- Так, 27 декабря 1942 г. 39-я американская истребительная эскадрилья, не понеся потерь, уничтожила 15 А6М. Справлялись с А6М и пилоты Р-40, если только не оказывались вовлеченными в маневренный бой. Бомбардировщики были для А6М противниками не легче. Так, В-26 был для «Зеро» сложной целью: из 7 В-26, бомбивших аэродром Лаэ в одном из вылетов, 9 А6М сбили лишь 1 машину.
После боев за остров Гуадалканал в апреле 1943 г. командующий объединенным флотом Японии Исороку Ямамото решил проинспектировать состояние передовых баз. 18 апреля на двух бомбардировщиках
G4M под охраной А6М он вылетел в инспекционную поездку. Высланные на перехват два звена P-38G «Лайтнинг» поставленную задачу выполнили - G4M были сбиты, причем эскортные А6М ничего не смогли сделать, и большинство из них разделило судьбу охраняемых бомбардировщиков.
Видя, что на средних и больших высотах А6М проигрывает и Р-38, и появившимся впервые в 1943 г. истребителям F6F «Хеллкэт», японцы попытались модифицировать А6М. Арсенал морской авиации в г. Йокосуке попытался оборудовать А6М турбокомпрессором и улучшить летные данные самолета на большой высоте. Новая модель именовалась А6М4, но было построено всего два экземпляра, и из-за трудностей с двигателями в серию модель не пошла.
Пока шли эксперименты с турбокомпрессорами, было решено попытаться улучшить А6МЗ. Переделали крыло, утолщив обшивку и уменьшив размах до 11 м, но в отличие от А6МЗ на модели 31 сделали закругленные законцовки. Площадь крыла уменьшилась по сравнению с А6МЗ на 0,23 м, силовую установку усовершенствовали установкой реактивных патрубков. В результате вес новой модификации вырос на 183 кг, но скорость увеличилась до 561 км/ч на 6000 м. Маневренность почти не ухудшилась, а ряд характеристик, в частности скорость сваливания, даже улучшились. Этот самолет получил обозначение А6М5.
