В октябре 1937 г флот после первого опыта боев пересмотрел требования: при маневренности аналогичной А5М скорость нового истребителя должна была достигать 500 км/ч на высоте 4000 м, продолжительность полета при использовании топливных баков должна была составлять 6-8 часов, вооружение должно было состоять из двух 20-мм пушек и двух 7,7-мм пулеметов. Отмечалось требование установки полного радиооборудования, включая радиокомпас. Взлетная дистанция при встречном ветре в 50 км/ч определялась в 70 м.
Накадзима от участия в конкурсе самоустранилась, но конструкторы Мицубиси продолжали успешно доводить свой проект цельнометаллического истребителя А6М1 под двигатель Мицубиси "Цусей"-13 мощностью 780 л.с. Первый опытный самолет был готов в марте 1939 г, а 1 апреля истребитель был поднят в воздух пилотом-испытателем Кацузо Сима. В ходе летных испытаний двухлопастный винт изменяемого шага был заменен на трехлопастный винт-автомат. По результатам испытаний самолет показал летные данные соответствующие заданию, за исключением максимальной скорости. В результате Мицубиси получила указание установить на третий опытный самолет более мощный двигатель Накадзима NK1C "Сакае"-12. Первый самолет А6М2 с "Сакае"-12 был облетан 28 декабря 1939 г и показал летные данные даже выше, чем ожидалось.
Флот тут же заказал установочную партию А6М2, которые практически сразу направили на войсковые испытания. Несмотря на необъяснимую катастрофу второго опытного А6М1, первый этап испытаний был закончен в июле 1940 г, а 21 июля флот решил направить 15 А6М2 в 12-й смешанный кокутай для испытаний в условиях боев в Китае. В конце того же месяца самолет был принят на вооружение под обозначением "палубный истребитель морской тип 0 модель 11". В Китае А6М2 из установочной партии пошли в бой 13 сентября 1940 г. В результате боев пилоты предсерийных А6М2, вместе с пополнением из серийных машин, объявили о 99 победах при потери двух самолетов от зенитного огня. В сентябре 1941 г самолеты были выведены из Китая в рамках подготовки войны на Тихом океане.
До начала войны в конструкцию самолета внесли ряд изменений: с 22-го самолета усилили задний лонжерон крыла, с 65-го самолета ввели складываемые вручную законцовки крыла, что позволило самолету вписаться в 11-м подъемник авианосцев. Эта модификация получила обозначение "модель 21" и была запущена в серию на заводе Накадзимы в Коизуми. Наконец, начиная со 192-го А6М2 был установлен балансир на триммер элерона.
С началом войны японский флот числил 521 палубный истребитель, включая 328 А6М2, состоявшие на вооружении практически всех истребительных частей первой линии. С первого же дня войны "Рейзены" участвовали в двух основных операциях флота - налете на Перл-Харбор и на Филиппины. В течение двух часов они полностью лишили возможность авиации США к какому-либо сопротивлению. Под их прикрытием японские бомбардировщики надолго вывели из строя линейный флот Штатов. Пронесясь по просторам Тихого и Индийского океанов Объединенный флот и истребители "ноль" одержали ряд впечатляющих побед над Уэйком, Дарвином и Цейлоном, а "Рейзены" из состава частей берегового базирования поддержали завоевание японцами Филиппин и голландской Ост- Индии. Создавая на отдельных участках подавляющее численное превосходство, японские истребители наносили союзникам тяжелые потери. Но вслед за впечатляющими победами, последовали потери в самолетах и в опытных пилотах, которые уже не могли восполнить ни промышленность, ни летные школы. Одновременно военная промышленность союзников постепенно набирала обороты, накачивая "мускулы" своей армии и флота. С 7 по 8 мая 1942 г японский и американский флоты сошлись в бою в Коралловом море, где союзники, несмотря на большие потери, заставили японцев отказаться от вторжения на территорию Австралии. А через четыре недели, с 3 по 4 июня японцы в бою у атолла Мидуэй потеряли четыре авианосца и все находившиеся на них самолеты, после чего наступление японцев было остановлено. С этого момента "Рейзенам" приходилось все чаще вести оборонительные бои, где уже серьезно сказывалась низкая живучесть самолета и отсутствие защиты пилота.
За шесть месяцев до начала войны Мицубиси приступила к испытаниям новой версии "Рейзена" - А6М2 с двигателем "Сакае"-21 мощностью 1130 л.с. с двухскоростным нагнетателем. Установка нового двигателя заставила отнести назад на 20 см противопожарную перегородку, что привело к сокращению объема фюзеляжного топливного бака с 98 до 60 л., а над капотом был установлен воздухозаборник нагнетателя. Несмотря на то, что самолет не преподнес каких-либо неприятных сюрпризов, ожидаемого роста летных характеристик не последовало. В результате производство А6МЗ было задержано до полного разворачивания выпуска двигателя "Сакае"-21. Начиная с четвертого А6МЗ, боезапас крыльевых 20-мм пушек был увеличен с 60 до 100 снарядов. Вскоре, по просьбе войсковых частей, с самолетов сняли складываемые законцовки крыльев. При этом размах крыла был сокращен до 11 м, а площадь - до 21,53 м2. В результате этих доработок горизонтальная скорость несколько увеличилась, а все остальные характеристики ухудшились. Тем не менее облегчилось производство и обслуживание самолета. А6МЗ был принят на вооружение под обозначением "модель 32" и запущен в крупную серию. Только Мицубиси поставила 343 истребителя данной модели.