尽管性能比不上格普曼 F6F 恶妇和钱斯沃特 F4U 海盗，A6M5 仍是零战家族中产量最大的，因为日本航空工业无法提供足够数量的高性能战斗机来替代零式，A6M5 持续生产到太平洋战争结束，三菱共生产了 747 架 A6M5；1943~1944 年间，中岛也生产了数量不详的 A6M5 ；日立公司也计划生产 A6M5，但在战争结束前还未能投产。
随着这两种新型战机加入空战，零战逐渐失去了制空权。早期零式的弱点之一就是俯冲速度低，盟军低速机动性差的战斗机常常能在俯冲攻击中得手，也能够通过俯冲安全逃离，因为零战无法跟上。这迫使日本海军在新一代战机研制成功之前，改进现有零式。
在 A6M4 失败后，三菱开始了 A6M5 的研制，为了追求更好的战斗性能（特别是俯冲速度），第 904 架（A6M3）零式被用来改装成 A6M5 原型机。这项工程由原崛越二郎零式研制小组成员高桥氏负责，崛越这时正全心投入 J2M 雷电的研制。A6M5 改进很大，主翼重新设计，翼面蒙皮更结实，翼尖仍为圆形，但不可以折叠。机翼与 A6M3 32 型类似，翼展 11 米，翼面积 21.3 平方米。A6M5 保留 A6M3 的武器、机翼油箱和发动机，另外为每个气缸配备了单独的排气管，增加了一些额外的动力。1943 年 8 月 A6M5 首飞，尽管 A6M5 比 A6M3 32 型重了 200 千克，但速度有所提高：A6M5 在 6,000 米高度最大平飞速度达到了 565 公里/小时，更重要的是最大俯冲速度达到了 660 公里/小时。
A6M5 零式舰上战斗机 52 型
1943 秋 A6M5 进入一线单位服役，海军型号零式舰上战斗机 52 型。日本人满以为凭借 A6M5 能夺回性能优势，但是又碰上美国海军的格普曼 F6F 恶妇式战斗机，F6F 是第一种在机动性上能与零式匹敌的美国战斗机，另外还继承了速度快、火力猛、装甲厚的优势。1944 年 6 月，A6M5 在马里亚纳战场首次参战，6 月 19 日，108 架 A6M5 为攻击斯普鲁恩斯的第 58 特遣舰队的鱼雷机和俯冲轰炸机编队护航，但是在 F6F 恶妇的阻击和美舰队防空火力的打击下，日本损失了近 300 架飞机，日本海军大伤元气，此后再无力组织有效的空中攻势。这就是著名的“马里亚纳猎火鸡”之战。
注意 A6M5c 机翼 20 毫米外侧的 13 毫米机枪
A6M5b 是与 A6M5a 并行发展的型号。这种型号有些怪异，出于增加火力的目的，A6M5 机鼻的两挺 7.7 毫米机枪中右侧的一挺被换成了 13.2 毫米机枪，这样机鼻的机枪就一大一小了，另外风挡加装了防弹玻璃，机身油箱周围安装了二氧化碳自动灭火器。A6M5b 可以在每侧翼下挂载 150 升副油箱。三菱共生产 470 架，中岛数量不祥。
A6M5c 零式舰上战斗机 52 丙型
A6M5 机翼设计基于 A6M3 32 型，但是翼尖为圆形。图中的 A6M5 在机腹下挂载 330 升副油箱
A6M5c 52 乙型彩色三面图
这幅图片据信是菲律宾的 201 航空队首次神风特攻的照片，近景处的 02-888 就是关幸男的座机
A6M5a 零式舰上战斗机 52 甲型
1943 初，日本面对的战争形势越来越恶劣。美军投入了新式战机：陆军的洛克希德 P-38 闪电和海军钱斯沃特 F4U 海盗，洛克希德 P-38 闪电在 1942 年 8 月的阿留申战场和 1942 秋的新几内亚战场首次参战的战斗。P-38 有着卓越的高空性能，重火力和高俯冲速度。美国海军的 F4U 海盗在 1943 年 2 月 13 日奇袭布加因维尔岛的行动中首次参战，与战争中后期的美国战机一样，F4U 海盗高空性能出色、结构坚固、重火力，特别注重对飞行员和油箱的保护。
A6M5 为每个气缸单独配置排气管
A6M5 有许多非正式的改型，为了对付 B-29 轰炸机，一些前线野战机场的 A6M5 飞行员座舱后安装了斜射炮——一门 30 度角安装的 20 毫米机炮，这样 A6M5 就可以水平飞行攻击 B-29 柔软的机腹了。还有一部分 A6M5 拆除机腹下的可抛式副油箱，换成 250 公斤炸弹，执行俯冲轰炸任务，不过炸弹挂架老出问题，炸弹经常无法投掷，很多 A6M5 只能携弹返回基地，有些燃料耗尽后只能迫降到海中。炸弹挂架对于用来神风特攻的 A6M5 来说不成问题，1944 年 10 月 26 日，基地位于菲律宾的 201 航空队首次对美军舰艇发动自杀攻击，领队关幸男。自杀机一开始是改装过的老旧 A6M2，以后使用改装的 A6M5，俯冲速度更快，威力更大。
A6M5b 零式舰上战斗机 52 乙型
新飞机在加强装甲、提高火力和增大燃油容积后，重量大大增加，佐野深感荣式发动机动力不足，于是要求改装功率更大的三菱金星 62 型发动机，日本海军拒绝了这项改动，命令三菱继续使用改进过的中岛荣式发动机——具有水-酒精加力装置的荣 31 型，不过这种发动机的进度赶不上 A6M5c，三菱只得暂时依靠荣 21 型。
出于对更强火力和更高俯冲速度的需求，1943 年末，出现了 A6M5a，它继承了 52 型的厚蒙皮机翼，最大俯冲速度达到 740 公里/小时，几乎达到了欧洲同时期的标准。机翼 20 毫米 99 式 2 号炮 3 型机炮改成 99 式 2 号炮 4 型，弹药也由 100 发增至 125 发。A6M5a 52 甲型于 1944 年 3 月开始交付，三菱一共生产了 391 架，中岛也有生产，数量不祥。
自杀攻击的零式
第一架 A6M5c 是用 A6M5 机身改装的，1944 年 9 月首飞。在飞行测验期间，发现机翼机炮周围的蒙皮要补强以保持俯冲性能。在正式生产时取消了自密封油箱，因为日本海军地勤人员缺乏维护这种油箱的经验。由于重量的增加而发动机不变，A6M5c 的性能让人失望，仅仅生产了 93 架。
排成一列的 A6M5b 52 乙型，在每侧翼下挂载 150 升副油箱
这些自杀攻击战绩显著，于是日本成立了更多神风特攻单位，主要装备是改装过的零式，机腹挂载一枚 250 公斤的炸弹。美军损失的舰艇有半数是被自杀机撞沉的，但是疯狂的神风特攻并未能阻挡美军向日本本土挺进的脚步。
