К этому времени был готов более мощный двигатель Накадзима NK1C «Сакае»12. По размерам и весу двигатель был несколько крупнее «Дзуйсей» 13, но зато его мощность достигала 950 л.с. на высоте 4200 м. Было решено строить третий прототип сразу с новым мотором. Модификация, обозначенная А6М2, совершила первый полет 28 декабря 1939 г. Был выпущен еще один А6М2, но 18 марта 1940 г. он разбился во время испытаний на пикирование из-за нарушения прочности крыла, а испытатель погиб. В середине июля 15 А6М2 войсковой серии передали в 12-й смешанный морской авиаотряд для переучивания строевых летчиков. 31 июля А6М2 был окончательно принят флотом как палубный истребитель. Именно тогда А6М2 получил «длинное» обозначение - «морской палубный истребитель Тип 00 модель 11» или сокращенно на японском «Рейзен» или «Рейсики» ("истребитель ноль"). С августа 1940 г. началось серийное производство А6М2.

12-й смешанный морской авиаотряд к моменту получения А6М2 базировался в Китае. К сентябрю 1940 г. его летчики освоили новые машины, и 13 сентября 13 самолетов впервые вступили в бой. За несколько минут было сбито 27 И-15, И-16 и «Хоук» III. Успех нового истребителя был полным. Впрочем, удачный дебют А6М2 в Китае был мало кем замечен.

К концу 1940 г. в Китае уже имелось свыше сотни А6М2 моделей 11 и 12, которые полностью захватили господство в воздухе над центральными районами Китая. В мае - июне 1940 г. японцы предприняли наступление на центральном фронте, и китайские войска потерпели поражение. Интересно, что к этому времени А6М2 уничтожили практически все истребители ВВС Китая, кроме небольшого числа советских машин, на которых китайские пилоты пытались противостоять японцам.

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.