С июля 1942 года основной серийной модификацией палубного истребителя «Мицубиси» «Зеро» была А6М3 модель 32, которая отличалась от предыдущей А6М2 мод. 21 установкой более мощного двигателя «Сакае-21» в 1130 лошадиных сил. Самолёт получил нескладывающееся крыло с обрезанными законцовками. Максимальная скорость истребителя на высоте 6000 метров составляла 540 км в час при скороподъёмности 820 метров в минуту. За счёт замены механизма питания пушек был увеличен их боекомплект (с 60 до 100 снарядов на ствол).

По своим маневренным и скоростным характеристикам А6М3 мод. 32 пока ещё превосходил своих основных противников: американские истребители F4F-4 «Уайлдкэт», уступая им в живучести и огневой мощи (две 20-мм пушки и два 7.7-мм пулемёта против шести 12.7-мм пулемётов).

В ходе боевых действий за остров Гуадалканал истребителям «Зеро» приходилось действовать с береговых аэродромов. Для увеличения дальности полёта приходилось использовать подвесные 45-литровые баки с горючим. У «Зеро» А6М3 мод. 32 с их обрезанными законцовками (при этом уменьшилась и общая площадь крыла) заметно ухудшилась управляемость. Для устранения этого недостатка крылу вновь вернули закруглённые законцовки. Новая модификация получила наименование А6М3 мод. 22.

В феврале 1943 года боевые действия на Гуадалканале закончились поражением японцев. К этому времени у американцев появились новые самолёты: это и сухопутные истребители Р-38 «Лайтинг» (с максимальной скоростью 628 км в час и вооружением из одной 20-мм пушки и четырёх 12.7-мм пулемётов), и палубные истребители «Грумман» F6F-3 «Хеллкэт» (с лучшей максимальной скоростью: 605 против 540 км в час и скороподъёмностью: 990 против 820 метров в минуту).

Американские лётчики нивелировали единственное, ещё оставшееся, преимущество «Зеро» в горизонтальной маневренности грамотным ведением воздушного боя с использованием тактики «удара и ухода».

Принятие нового японского палубного истребителя, который бы удовлетворял новым возросшим требованиям войны в воздухе, откладывалось по целому ряду причин на неопределённое время. В этих условиях перед авиастроителями оставалась единственная возможность: дальнейшее усовершенствование истребителя «Зеро».

Не имея возможности установить на «Зеро» новый, более мощный двигатель, конструкторы старались всячески модернизировать имеющийся в их распоряжении «Сакае-21». Заменив общий для всех цилиндров массивный выхлопной коллектор отдельными для каждой пары цилиндров более лёгкими реактивными патрубками, удалось немного увеличить тягу двигателя и уменьшить его вес.

Новую модификацию истребителя назвали А6М5 модель 52. Максимальная скорость самолёта увеличилась до 565 км в час на высоте 6000 метров. Увеличилась и скороподъёмность до 857 метров в минуту. Усиленное нескладывающееся крыло с новыми законцовками закруглённой формы обеспечивало более высокую скорость пикирования. Вооружение истребителя оставили без изменений.

Серийное производство А6М5 модель 52 было развёрнуто осенью 1943 года. С декабря на модели 52А вновь немного усилили крыло и увеличили боекомплект 20-мм пушек до 125 снарядов на ствол.

В апреле «Мицубиси» начала выпуск истребителя «Зеро» А6М5 модели 52В с улучшенной защитой пилотской кабины (установлено лобовое бронестекло) и противопожарной системой (баллоны с углекислым газом). Правый 7.7-мм синхронный пулемёт заменили крупнокалиберным 13.2-мм пулемётом. Появилась возможность подвески под крылом дополнительных топливных баков большей вместимости (150-л вместо 45-л). В полевых мастерских при необходимости подфюзеляжный узел подвески для 330-л топливного бака переделывали для возможности нести 250-кг авиабомбу.

Все эти усовершенствования не позволяли «Зеро» угнаться за новыми палубными истребителями США: и новые модификации F6F-5 «Хеллкэта», и F4U «Корсара» заметно превосходили его по основным характеристикам. Положение усугублялось снижением качества подготовки и опыта японских лётчиков. Результаты воздушных боёв были, как правило, не в пользу японской стороны. В одном из воздушных схваток в декабре 1943 года 50 А6М5 «Зеро» с 93 F6F-5 «Хеллкэтами» потери японцев составили 28 истребителей. Тут сказалось и качественное, и количественное превосходство противника.

Попытки улучшить защиту и усилить вооружение истребителя «Зеро» нашли воплощение в новой модификации А6М5 модель 52С. На истребителях, выпущенных в конце 1944 года небольшой партией, улучшили защиту пилотской кабины установкой в задней части фонаря 55-мм бронестекла и бронированием спинки сиденья лётчика.

Вооружение стало более мощным и включало в себя две 20-мм пушки и три 13.2-мм пулемёта (два установили в крыле и один синхронно). От 7.7-мм пулемётов отказались полностью, так как в бою с хорошо защищёнными истребителями противника они были бесполезны. Под крыльями были установлены направляющие для восьми 10-кг неуправляемых ракет «воздух-воздух». Истребитель предназначался для действий с береговых аэродромов против американских бомбардировщиков. Максимальная скорость потяжелевшего истребителя снизилась до 540 км в час. Дальность полёта без ПТБ составляла 1520 км.

Палубный истребитель-бомбардировщик А6М7 модель 63 «Зеро» был создан на основе предыдущей модификации А6М5с и предназначался для действий с малых авианосцев, переоборудованных из торговых судов, на коротких полётных палубах не могли действовать пикирующие бомбардировщики «Йокосука» D4Y. Серийное производство А6М7 было развёрнуто в мае 1945 года.

Максимальная скорость истребителя-бомбардировщика на высоте 6400 метров составляла 543 км в час, а скороподъёмность 833 метра в минуту. Дальность полёта с подвесными топливными баками равнялась 2960 км, а практический потолок 11180 метров. Стрелковое вооружение осталось как у модификации А6М5с (модель 52С). Подфюзеляжный узел подвески переделали для подвески 250-кг бомбы. Под крылом могли подвешиваться два 350-л топливных бака.

Последней модификацией истребителя «Зеро» стала А6М8 модель 64. Первый полёт опытный образец совершил в апреле 1945 года. Благодаря более мощному 1560-сильному двигателю «Кинсей-64» опытный образец развивал максимальную скорость 573 км в час на высоте 6000 м, но даже такие характеристики не могли сравниться со скоростями истребителей противника: 644 км в час у F6F-5 «Хеллкэта» и 716 км в час F4U-4 «Корсара».

Вооружение новой модели «Зеро» состояло из двух 20-мм пушек и двух 13.2-мм пулемётов, которые устанавливались в крыле. Синхронного вооружения на истребителе не было из-за больших размеров нового двигателя. Под фюзеляжем могла подвешиваться 500-кг авиабомба, а под крыльями два 350-л топливных бака.

В серию А6М8 модель 64 так и не пошёл. Производственные мощности авиационной промышленности Японии были уже разрушены союзной авиацией и землетрясением.

Свой последний боевой вылет на перехват самолётов союзников истребители «Зеро» А6М5 и А6М7 совершили 15 августа 1945 года. В этом воздушном бою 17 «Зеро» сбили четыре американских «Хеллкэта», потеряв при этом 15 своих машин.

Палубный истребитель «Мицубиси» А7М «Репу» должен был заменить устаревающий А6М «Зеро» ещё в 1943 году. Начатая летом 1942 года разработка нового самолёта сильно затянулась. Свой первый полёт прототип «Репу» совершил в мае 1944 года. Это был цельнометаллический одноместный одномоторный истребитель с низкорасположенным складывающимся крылом. Для повышения живучести на «Репу» установили протектированные топливные баки, а пилотская кабина была оснащена пуленепробиваемым лобовым стеклом и бронированной спинкой кресла лётчика.

А7М «Репу», в зависимости от модификаций прототипов, оснащали двигателями мощностью 2000 лошадиных сил у А7М1 и 2200 у А7М2. Оснащённый 2200-сильным мотором и четырёхлопастным винтом А7М2 развивал на высоте 8700 м максимальную скорость 642 км в час, а высоте 6000 м 620 км в час. На высоту 6000 метров истребитель поднимался за 6.1 минут. Дальность полёта без ПТБ нового истребителя составляла 1085 км, а практический потолок 10900 метров. Самолёт показал на испытаниях хорошую маневренность, сравнимую с «Зеро».

Серийные А7М2 «Репу» планировали вооружать либо четырьмя 20-мм пушками (модель 22А), либо двумя 20-мм пушками и двумя 13.2-мм пулемётами (модель 22В). На внешней подвеске истребитель мог нести две 250-кг бомбы под крыльями и 750-литровый подвесной топливный бак под фюзеляжем.

До окончания боевых действий был выпущен всего один серийный истребитель А7М2 «Репу» и шесть прототипов.