紫電一一型は川西の設計陣にとっても満足できる戦闘機ではなく、紫電の試作機が飛行してから5日後の1943年（昭和18年）1月5日には、紫電を低翼化した「仮称一号局地戦闘機兵装強化第三案」の設計に着手した。海軍は川西の計画を承認し、3月15日、正式に「仮称一号局地戦闘機改 N1K2-J」の試作を指示した。12月31日、試作一号機が完成した。この試作機は主翼配置を中翼から低翼とし、また胴体全体を「誉」の直径に合わせて絞り込んだことで離着陸時の前下方の視界も改善された。胴体は400 mm延長され、水平尾翼は400 mm取り付け位置が下げられており、全長が460 mm増大、紫電に比べてスマートな印象となっているが、重量は250 kg増加した。トラブルが多かった二段伸縮式主脚も、主翼の低翼化に伴って全長を短縮できたため、廃止された。同時に部品点数を紫電一一型の2/3に削減して、量産性を大幅に高めていた。試作機は主翼配置が中翼から低翼式に変更されたが、主翼の外形は強風・紫電一一型と同様であった。また紫電一一型・紫電一一甲型（N1K1-J、N1K1-Ja）までは20mm機銃を主翼内に各1挺、両翼下面に各1挺を主翼下面に直接取り付けていた。(ガンポッドではない)紫電改では紫電一一型乙（N1K1-Jb）と同様、4挺とも翼内装備としている。また零戦が採用した「操縦索の剛性低下」と同様、低・高速度域における操舵感覚と舵の効きの平均化を可能とする腕比変更装置が導入された。「強風」以来の自動空戦フラップも装備し、改良により実用性を高めた。当時、川西航空機検査部のテストパイロットだった岡安宗吉はこれを評価している。開発者である田中賀之によれば、紫電のテストパイロットである志賀淑雄は空戦性能の向上を評価したという。試作機や初期量産型紫電において自動空戦フラップのトラブルが続出した。この初期欠陥は順次改修され、実戦に配備された紫電、紫電改において故障は皆無であった。紫電改のテストパイロットをつとめて空母「信濃」に着艦した山本重久は、紫電では信頼性が低かった自動空戦フラップだが紫電改では作動確実とし、1945年（昭和20年）2月17日における紫電改での実戦でも有効に活用して米軍機を撃墜している。笠井智一兵曹も、4月12日喜界島上空の戦闘で米軍機と格闘戦を行い、自動空戦フラップの絶大な効果を体感した。零戦の弱点であった防弾装備の欠如に関し、本機では、主翼や胴体内に搭載された燃料タンクは全て防弾タンク（外装式防漏タンク）であり、更に自動消火装置を装備して改善された。米軍の調査によると、燃料タンクにセルフシーリング機能は無かったとされるが、2007年（平成19年）にオハイオ州デイトンにおいて復元のため分解された紫電二一型甲（5312号機）の燃料タンク外側に防弾ゴムと金属網、炭酸ガス噴射式自動消火装置が確認できる。操縦席前方の防弾ガラスは装備されていたが、操縦席後方の防弾板は計画のみで実際には未装備だったとされている。笠井によれば、後部には厚さ10cmくらいの木の板しかなく、後方に不安を抱えていたという。1944年（昭和19年）1月、志賀淑雄少佐、古賀一中尉、増山兵曹らによって紫電改のテスト飛行が行われ、志賀は「紫電の欠陥が克服されて生まれ変わった」と高い評価を与えた。また志賀が急降下テストを行った際には、計器速度796.4km/hを記録し、零戦に比べて頑丈な機体であることを証明。最大速度は11.1〜24.1km/h、上昇性能、航続距離も向上し、空戦フラップの作動も良好だった。日本海軍は「改造ノ効果顕著ナリ」と判定し、4月4日に全力生産を指示する。1944年（昭和19年）度中に試作機をふくめて67機が生産された。1945年（昭和20年）1月制式採用となり「紫電二一型（N1K2-J）紫電改」が誕生した。そこで乙戦（迎撃戦闘機）でありながらも甲戦（制空戦闘機）としても使える紫電改を高く評価した海軍は開発中の新型機を差し置いて、本機を零戦後継の次期主力制空戦闘機として配備することを急ぎ決定。1944年（昭和19年）3月には三菱に雷電と烈風の生産中止、紫電改の生産を指示した。航空本部は19年度に紫電と紫電改合計で2,170機を発注、20年1月11日には11,800機という生産計画を立てた。しかし空襲の影響で計画は破綻し、川西で406機、昭和飛行機2機、愛知2機、第21航空廠で1機、三菱で9機が生産されたに留まる。また、紫電改は強風を基に度々改造を重ねた機体故、性能的な陳腐化は零戦より早いと海軍は見込んでいた。実際に制式採用から僅か3,4ヶ月後の昭和20年5月頃には昭和21年以後を見越した次期主力機の開発が開始されていた。間に合わなかったものの、本機の更なる性能向上型の他に、凍結された陣風の試作再開などが検討されていた。本機は遠方から見るとF6F ヘルキャットとよく似ており、日本海軍パイロット自身が誤認しかけるほどだった。味方から誤射されることもあり、1945年（昭和20年）3月20日には戦艦大和 が哨戒飛行中の紫電改（笠井智一搭乗機）を誤射した。陸軍機も紫電改を誤射することがあり、笠井は疾風（四式戦）4機に空戦を挑まれ、交戦直前で陸軍機側が気付いたという。同士討ちを避けるため、知覧町の陸軍基地に零戦五二型、紫電一一型、紫電改が出張して陸軍兵に実物を見せたことがある。8月12日にも友軍地上砲火で3機が被弾、不時着している。1943年（昭和18年）以降のF6FやF4U、P51ら連合軍新鋭機の登場によって急速に現実問題化した零戦の旧式化にも関わらず、零戦後継機として軍が本命視していた次期甲戦の烈風は1944年（昭和19年）になっても試作途中段階に留まっており、量産配備はまだ先との見積もりであった。これに業を煮やした海軍は紫電の生産ラインを多少改変すれば生産可能であった本機を機体分類上は乙戦のまま、1944年（昭和19年）4月の段階で零戦の後継機として選定し、生産を指示した。この決定の影響により、分類上は迎撃戦闘機である乙戦のままであったにも関わらず、実戦では主な配備先の三四三空を始めとした部隊では零戦に代わる次世代『制空戦闘機』として運用されていく事になる。紫電改と同時期に開発され、同じ発動機を搭載する中島飛行機の四式戦闘機「疾風」（以下、四式戦と略）と、紫電改の最高速度を仕様諸元上で比較すると、紫電改の方が劣っている。紫電改の試作時における最高速度は335ノット（620.4 km/h）。水平全速で348ノット（644 km/h）であった。四式戦初期試作機の最高速度624 - 640 km/h、さらに推力式単排気管に改造された四式戦の後期試作機は、初期試作機より10 - 15 km/hほど速い。昭和20年（1945年）1月付けの「試製紫電改操縦参考書」の記述によれば、紫電や紫電改の発動機である誉二一型は運転制限のため出力が定格より1割ほど低い状態であった。当然、試作機の最高速度も運転制限下で記録された。仕様諸元上、紫電改が四式戦に比べて30 km/hほど遅いのは、四式戦のテスト時よりも誉の工作精度が落ち、燃料や潤滑油なども誉に適した物が使用できなくなったため、更に出力が低下していたためではないかと推定する者もいる。また川西航空機が小型機製造に慣れておらず、主翼の表面仕上げが荒くなっていたことから、設計時に想定されたより抵抗が増えていたことも原因の一つと考えられる。もっとも、同じエンジンを搭載し、自重も同等とはいえ、翼面積は紫電系列が23.5平方メートル、四式戦は21平方メートルであり、紫電改のほうが大きな翼をつけている。翼面荷重（kg/平方m）/馬力荷重（kg/PS）は強風150/2.5、紫電改170/2.2、四式戦180/2.0、零戦21型107/2.5、零戦52型120/2.3、烈風143/2.8、F6F167/2.6、F8F197/2.0 。この数値のみで判断すれば、紫電改は四式戦より空気抵抗が増える分やや遅く、かわりに揚力が大きくて旋回性能がよいということになる。山本重久テストパイロットは、横旋回では零戦に苦戦、縦旋回戦闘では零戦に対し断然優位、零戦2機を相手にしても互角に戦え、加速性能・急降下性能ふくめ零戦より優っていたと評価している。1944年（昭和19年）12月10日、速水経康大尉が搭乗する紫電改が、紫電6機（笠井智一ら）と共に、F-13（B-29の写真偵察型）の迎撃に出動した。これが紫電改の初陣とされる。1945年（昭和20年）2月17日、硫黄島攻略戦の前哨戦として米軍艦載機が関東地方に侵入（ジャンボリー作戦）。指宿少佐指揮のもと、岩下邦雄大尉、羽切松雄少尉、武藤金義飛曹長の紫電改隊、海軍航空技術廠（空技廠）から山本重久大尉、増山上飛曹、平林一飛曹が乗る試作紫電改が零戦48機、雷電、紫電11機と共に迎撃。米軍機編隊を撃退した上で、岩下、羽切、山本、増久、平林が各1機、武藤が4機撃墜という戦果をあげ、紫電改隊は生還した。零戦は11機、紫電は1機が失われた。