A6M1, Đời 0 Nguyên mẫu

Chiếc nguyên mẫu A6M1 đầu tiên hoàn tất tháng 3 năm 1939, gắn động cơ Mitsubishi Zuisei-13 công suất 780 mã lực (580 kW) với bộ cánh quạt 2-cánh. Nó cất cánh lần đầu ngày 1 tháng 4, và vượt qua các thử nghiệm trong thời gian khá ngắn. Đến tháng 9 nó sẵn sàng cho Hải quân thử nghiệm với tên gọi "Máy bay A6M1 Tiêm kích từ tàu sân bay Đời 0", chỉ với một thay đổi đáng chú ý là cánh quạt 3-cánh để khắc phục vấn đề rung động.

A6M2, Đời 0 Kiểu 11 (零式艦上戦闘機一一型)Chiếc A6M2 "Zero" Kiểu 21 (phía trước) trên tàu sân bay Shokaku trong trận tấn công Trân Châu Cảng sáng ngày 7 tháng 12 năm 1941. Đây có thể là vào lúc tung ra đợt tấn công thứ hai. Bức ảnh này tịch thu được tại Attu năm 1943

Trong khi Hải quân còn đang thử 2 chiếc nguyên mẫu, họ đề nghị chiếc thứ 3 sẽ gắn động cơ Nakajima Sakae-12 công suất 940 mã lực (700 kW) thay vào đó. Mitsubishi cũng có động cơ cùng hạng của riêng họ là Mitsubishi Kinsei, nên họ rất miễn cưỡng khi sử dụng động cơ Sakae. Dù sao khi chiếc A6M2 đầu tiên hoàn tất vào tháng 1 năm 1940, sức mạnh vượt trội hơn của động cơ Sakae thúc đẩy tính năng bay cải thiện rõ rệt hơn những tiêu chuẩn ban đầu.

Phiên bản mới tỏ ra rất hứa hẹn nên Hải quân đặt hàng 15 chiếc và đưa sang Trung Quốc trước khi thử nghiệm hoàn tất. Chúng đến Mãn Châu vào tháng 7 năm 1940, và tham chiến lần đầu tại Trùng Khánh vào tháng 8. Ở đó nó chứng minh cho thấy là những chiếc Polikarpov I-16 và I-153 Liên Xô, vốn là những đối thủ của kiểu A5M đang được sử dụng, không thể nào đụng chạm được đến nó. Trong một trận chiến 13 chiếc Zero đã bắn rơi 27 chiếc I-15 và I-16 trong vòng 3 phút mà không bị thiệt hại. Sau khi xem những báo cáo tác chiến, Hải quân lập tức đặt hàng sản xuất hằng loạt dưới tên gọi Đời 0 Kiểu 11.

Báo cáo về tính năng bay của Zero được gửi về Mỹ một cách chậm chạp, và bị đa số các viên chức quân đội bỏ qua vì họ cho là người Nhật không có khả năng tạo ra những chiếc máy bay tốt như thế.

A6M2, Đời 0 Kiểu 21 (零式艦上戦闘機二一型)Mitsubishi A6M2 "Zero" Kiểu 21 trên sàn đáp tàu sân bay Shokaku, ngày 26 tháng 10 năm 1942 trong trận chiến Santa Cruz.

Sau khi chỉ mới giao được 65 chiếc cho đến tháng 11 năm 1940, một cải tiến nữa được đưa vào dây chuyền sản xuất, đó là cánh gập để có thể đậu vừa trên những tàu sân bay. "Kiểu 21" xuất hiện sẽ là phiên bản được sản xuất nhiều nhất thời kỳ đầu chiến tranh. Khi các dây chuyền chuyển sang kiểu tiếp theo, đã có 740 chiếc Kiểu 21 do Mitsubishi và thêm 800 chiếc do Nakajima sản xuất. Hai phiên bản khác của Kiểu 21 được chế tạo với số lượng nhỏ: thủy phi cơ A6M2-N "Rufe" do Nakajima chế tạo dựa trên Kiểu 11 với thay đổi nhỏ trên cánh đuôi, và phiên bản huấn luyện 2 chỗ ngồi A6M2-K với tổng cộng 508 chiếc do Hitachi và Xưởng Không lực Hải quân Sasebo chế tạo.

A6M3, Đời 0 Kiểu 32 (零式艦上戦闘機三二型)

Cuối năm 1941, Nakajima giới thiệu động cơ Sakae 21 có sử dụng bộ siêu tăng áp 2 tốc độ nhằm cải thiện tính năng bay ở tầm cao, cho công suất 1.130 mã lực (840 kW). Kế hoạch dự trù áp dụng kiểu động cơ này lên chiếc Zero trong thời hạn nhanh nhất.

Động cơ Sakae mới hơi nặng và dài hơn do có bộ siêu tăng áp lớn, làm dịch chuyển trọng tâm trên khung máy bay cũ ra phía trước. Để hiệu chỉnh, khung động cơ phải lùi 200 mm (8 inch) về phía buồng lái. Việc này làm giảm dung lượng thùng nhiên liệu chính (đặt ngay sau động cơ) từ 518 L (137 gal) xuống còn 470 L (120 gal). Cải tiến chính khác là cánh được bỏ bớt phần gấp lên, thành kiểu cánh không gấp. Cánh cũng cho phép có trữ lượng đạn nhiều hơn, đến 100 quả đạn cho mỗi khẩu pháo 20 mm. Những thay đổi này đủ nhiều để phía Mỹ đặt tên mã mới là Hap. Tên này chỉ tồn tại trong thời gian ngắn, do có sự phản đối của Tư lệnh Không lực Lục quân Hoa Kỳ Tướng Henry "Hap" Arnold, nên buộc phải đổi sang Hamp. Không lâu sau, người ta nhận ra nó chỉ đơn giản là một phiên bản Zeke mới. Cánh của nó cũng được trang bị hộp đạn lớn hơn, chứa được 100 viên đạn cho mỗi khẩu pháo 20 mm.

A6M3 Kiểu 32.

Những thay đổi trên thiết kế cánh mang lại hiệu quả về tính năng bay nhiều hơn mong đợi. Cánh nhỏ hơn nên lộn vòng tốt hơn, và sức cản thấp cho phép tốc độ bổ nhào tăng lên đến 670 km/h (420 dặm mỗi giờ; 360 knot). Điểm bất lợi là giảm tính cơ động, và tầm bay do cả việc giảm lực nâng cánh lẫn thùng nhiên liệu nhỏ hơn. Phi công thường than phiền về cả hai điểm yếu này, và tầm bay bị giảm ảnh hưởng đáng kể trong chiến dịch Solomons năm 1942.

Kiểu 32 được giao lần đầu vào tháng 4 năm 1942, nhưng nó chỉ được sản xuất trong thời gian ngắn với 343 chiếc được chế tạo.

A6M3, Đời 0 Kiểu 22 (零式艦上戦闘機二二型)

Nhằm khắc phục những khiếm khuyết của Kiểu 32, một phiên bản mới của Kiểu 21 cánh gập, chứa nhiên liệu trong cánh và đế để mang thêm thùng nhiên liệu phụ vứt được 330 L (90 gal) trên mỗi cánh được giới thiệu. Dự trữ nhiên liệu bên trong được tăng lên 570 L (137 gal) giúp lấy lại được tầm bay xa bị mất.

Vì khung máy bay được lấy lại từ Kiểu 32 với cùng kiểu động cơ, nó được Hải quân đặt tên Kiểu 22, trong khi Mitsubishi gọi nó là A6M3a. Kiểu mới được bắt đầu sản xuất từ tháng 12 năm 1942, và có 560 chiếc được sản xuất. Công ty cũng chế tạo vài kiểu mẫu để đánh giá, được trang bị pháo "Kiểu 5" 30 mm dưới tên gọi A6M3b (Kiểu 22b).

A6M4, Đời 0 Kiểu 41 (零式艦上戦闘機四一型)

Tên A6M4 được áp dụng cho hai chiếc A6M2 lắp thử nghiệm động cơ siêu turbo tăng áp Sakae thiết kế để hoạt động ở tầm cao. Công việc thiết kế, cải tiến và thử nghiệm hai chiếc nguyên mẫu này thuộc trách nhiệm của Xưởng không lực Hải quân thứ I (第一海軍航空廠, Dai-Ichi Kaigun Gijitshusho) tại Yokosuka trong năm 1943. Việc thiếu thốn hợp kim thích hợp dùng cho việc chế tạo bộ siêu tăng áp cũng như các ống dẫn liên quan, khiến có sự cố các ống dẫn bị vỡ gây cháy và tính năng kém. Vì vậy, việc phát triển tiếp tục kiểu A6M4 bị ngừng lại. Tuy nhiên chương trình này cung cấp các thông tin hữu ích để thiết kế các kiểu trong tương lai, và việc chế tạo được tăng tốc cho kiểu thông dụng hơn A6M5, đang được Jukogyo K.K. của Mitsubishi phát triển.[14]

A6M5, Đời 0 Kiểu 52 (零式艦上戦闘機五二型)Mitsubishi A6M5 Kiểu 52 bị quân Nhật bỏ lại sau chiến tranh tại Căn cứ Không lực Hải quân Atsugi.

Được xem là phiên bản có hiệu quả nhất, A6M5 Kiểu 52 được phát triển nhằm đối đầu với những chiếc Hellcat và Corsair vượt trội nhờ sức mạnh động cơ và vũ khí trang bị.[9] Phiên bản này là kiểu nâng cấp đơn giản từ A6M3 Kiểu 22, có đầu cánh không gập được và vỏ bọc cánh dày hơn cho phép tốc độ bổ nhào nhanh hơn, cũng như cải tiến hệ thống thải khí với bốn ống thải mỗi bên giúp tăng hiệu quả động cơ. Cải tiến cánh thu ngắn để tăng độ lượn vòng của A6M3 giờ đây được tích hợp. Các biến thể nhỏ bao gồm:

• A6M5a Kiểu 52a «Kou», trang bị pháo Kiểu 99-II nạp đạn dây chuyền loại Mk 4 thay cho nạp đạn trống Mk 3 (100 viên), cho phép trữ lượng đạn nhiều hơn (125 viên).
• A6M5b Kiểu 52b «Otsu», gắn kính chống đạn, bộ dập lửa cho thùng nhiên liệu và một súng máy "Kiểu 3" mô phỏng Browning 13,2 mm với tốc độ đầu đạn 790 m/s tầm bắn 900 m (2.950 ft) và có 240 viên đạn thay thế cho súng máy "Kiểu 97" 7,7 mm (0,303 inch) có tốc độ đầu đạn 750 m/s tầm bắn 600 m (1.970 ft) phía trước thân bên trái. Vũ khí lớn hơn yêu cầu phải có nắp động cơ mở rộng, đưa đến một kiểu dáng bất đối xứng đặc trưng trên nóc nắp động cơ.
• A6M5c Kiểu 52c «Hei» có kính chống đạn dày hơn 5,5 cm(2,2 inch) và vỏ giáp cho ghế ngồi phi công. Vỏ bọc một số vị trí đặc biệt trên cánh được làm dày hơn nữa để gia tăng tốc độ bổ nhào. Kiểu này cũng trang bị ba súng máy 13,2 mm (0,51inch), một trên nắp động cơ, và một trên mỗi cánh với tốc độ bắn 800 viên mỗi phút, hai pháo Kiểu 99-II 20 mm và thùng nhiên liệu phụ 367 L, thường được thay bằng một quả bom 250 kg.

A6M5 đạt tốc độ tối đa 540 km/h (340 dặm mỗi giờ) và đạt đến độ cao 8.000 m (26.250 ft) trong 9 phút 57 giây. Các phiên bản khác là kiểu tiêm kích bay đêm A6M5d-S, được cải tiến để chiến đấu ban đêm, trang bị một pháo "Kiểu 99" 20 mm gắn lui vào buồng lái; và kiểu huấn luyện 2-chỗ ngồi A6M5-K "Zero-Reisen"(kiểu l22) cũng do Mitsubishi sản xuất.

A6M6c, Đời 0 Kiểu 53c (零式艦上戦闘機五三型丙)

Tương tự như phiên bản A6M5c, nhưng có bình nhiên liệu cánh tự hàn và trang bị động cơ Nakajima Sakae 31a có phun hỗn hợp nước-methanol để tăng tốc.

A6M7, Đời 0 Kiểu 63 (零式艦上戦闘機六三型)

Tương tự như phiên bản A6M6, nhưng được dự định cho vai trò tấn công cảm tử Thần Phong (Kamikaze).

A6M8, Đời 0 Kiểu 64 (零式艦上戦闘機六四型)

Tương tự như phiên bản A6M6, nhưng loại động cơ Sakae (lúc này đã ngưng sản xuất) được thay thế bằng kiểu động cơ Mitsubishi Kinsei-62 công suất 1.560 mã lực (1.164 kW), mạnh hơn 60% so với động cơ trên phiên bản A6M2.[9] Điều này đã khiến phải cải biến rộng rãi nắp động cơ và mũi máy bay. Cửa lấy gió cho bộ chế hòa khí lớn hơn nhiều, thêm một ống dẫn dài tương tự như trên chiếc Nakajima B6N Tenzan và một mũ cánh quạt lớn hơn giống như kiểu Yokosuka D4Y Suisei trang bị động cơ Kinsei 62. Nắp động cơ lớn hơn buộc phải loại bỏ súng máy gắn trên nắp động cơ, nhưng các vũ khí khác hầu như không đổi so với "Kiểu 52c" Hei (2 pháo 20 mm; 2 súng máy 13 mm/0,51 inch). Thêm vào đó, Kiểu 64 được cải biến để mang hai thùng nhiên liệu phụ vứt được 150L (40 gal) trên hai cánh nhằm cho phép mang một quả bom 250 kg (550 lb) trên đế giữa thân. Hai chiếc nguyên mẫu được hoàn tất vào tháng 4 năm 1945 nhưng tình hình hỗn loạn của nền công nghiệp Nhật Bản và cuối cùng là việc chiến tranh kết thúc đã đặt dấu chấm hết cho kế hoạch sản xuất 6.300 chiếc kiểu này, không có chiếc nào được sản xuất.[9][15]