Mùa hè năm 1936 Hải quân Nhật phát hành tiêu chuẩn 11-Shi cho một kiểu máy bay cánh đơn ném bom bổ nhào hoạt động trên tàu sân bay để thay thế cho chiếc D1A hai tầng cánh đang hoạt động.[1] Các hãng Aichi, Nakajima và Mitsubishi đã đưa ra các thiết kế dự thầu, và Aichi cùng với Nakajima được yêu cầu chế tạo một máy bay nguyên mẫu ở mỗi hãng.

Thiết kế của Aichi bắt đầu bằng kiểu cánh dạng ellip gắn thấp chịu ảnh hưởng từ thiết kế của chiếc Heinkel He 70 Blitz. Thân máy bay trông khá giống chiếc Zero, mặc dù tổng thể máy bay được chế tạo chắc chắn hơn để chịu được áp lực khắc nghiệt khi ném bom bổ nhào. Tốc độ bay đủ chậm nên lực cản trên bộ càng đáp không phải là một vấn đề nghiêm trọng, do đó càng đáp được thiết kế cố định cho đơn giản.[6] Máy bay được gắn động cơ Nakajima Hikari-1 9-xy lanh bố trí hình tròn, công suất 710 mã lực (529 kW).

Chiếc nguyên mẫu đầu tiên được hoàn thành vào tháng 12 năm 1937, và bắt đầu bay thử nghiệm 1 tháng sau đó. Những thử nghiệm ban đầu đáng thất vọng. Chiếc máy bay không đủ công suất và bị ảnh hưởng mất ổn định hướng khi vòng rộng, và khi vòng hẹp nó có xu hướng bị lộn vòng bất ngờ. Phanh bổ nhào rung động rất mạnh khi giương ra ở tốc độ được thiết kế là 370 km/giờ (200 knot), trong khi Hải quân đang yêu cầu tốc độ bổ nhào phải được nâng lên 440 km/giờ (240 knot).[7]

Chiếc nguyên mẫu được cải tiến khá nhiều trước khi giao nhằm sửa chữa những vấn đề trên. Công suất máy bay được năng lên bằng cách thay thế động cơ Hikari bằng kiểu Mitsubishi Kinsei-3 840 mã lực (626 kW) với nắp máy được thiết kế lại, và cánh đuôi đứng được mở rộng để giúp ổn định hướng. Sải cánh hơi rộng hơn và phần ngoài của mép trước cánh được biến cải để chống lộn vòng, cũng như gia cố phanh bổ nhào chắc chắn hơn. Những biện pháp cải tiến đó đã khắc phục được tất cả các vấn đề ngoại trừ việc mất ổn định hướng, nhưng cũng đủ cho D3A1 thắng thầu trước Nakajima D3N1.[8]