1944年（昭和19年）12月源田実大佐（司令）の制空権奪還という構想によって松山基地で編成された第三四三海軍航空隊（通称「剣」部隊、以下「343空」とする）に紫電改が優先的に配備された。「紫電改」と腕の立つパイロットを組み合わせ、更に徹底的な改良が施された無線機（無線電話機）を活用した編隊空戦法により大きな戦果を挙げ、太平洋戦争中盤の1943年後半以降、劣勢の度を濃くしていった日本海軍戦闘機隊に、アメリカ軍を中心とした連合国軍の最新鋭戦闘機と互角に戦える新鋭戦闘機として紫電改は本土防空の任務についた。紫電改の配備が遅れたため、そろわない分は紫電で代用していた。1945年（昭和20年）3月19日343空は初陣で米艦上機160機に対し、紫電7機、紫電改56機で迎撃して、米軍機58機撃墜を報告した。日米双方に戦果誤認はあったが、日本最後の大戦果となった。343空の活躍で戦後は「遅すぎた零戦の後継機」として認知され、零戦、隼、疾風と並ぶ代表的な日本軍機として一般に認知される。その経歴やネーミングから人気の高い機体である。五航艦の命令に従い、343空は紫電改で銀河・彗星等の特攻機の護衛任務に就いたが、もともと特攻戦は想定しておらず、紫電改の航続距離も不足しており、奄美大島や喜界島付近にて特攻隊の前路哨戒の制空戦闘を実施した。343空は通常の援護ではなく、紫電改で制空権を確保して突撃啓開することで経路を確保する戦法をとっていた。紫電は、沖縄戦で偵察十一飛行隊、偵察十二飛行隊に配備され、台湾から出撃した。ここでは制空任務だけでなく、強行偵察、戦果確認、索敵任務に投入された。本土防空戦にも数多くの紫電が参加した。5月29日は戦闘403飛行隊6機の紫電がB-29を迎撃して2機を撃墜、7月8日には16機の紫電が50機のB-29、250機のP-51マスタングを迎撃して4機を撃墜するなど、劣勢ながら奮戦している。なお、1945年（昭和20年）2月17日の米機動部隊艦載機との戦闘では、紫電に搭乗していた山崎卓（上飛曹）が横浜市杉田上空で落下傘降下。。（なお、山崎は降下の後に暴徒化した市民によって殺害され、以降日本海軍ではパイロットに味方であることを示すため、飛行服及び飛行帽に日の丸を縫い付けることとなる）尾翼にカタカナのヨ－のマークをつけた紫電は横須賀海軍航空隊に配備され終戦まで京浜地区の防空にあたる。第三航空艦隊では、343空に配備されていた機体を除く全ての紫電改、紫電を集め、彩雲、百式司偵と共に爆装することで、米護衛戦闘機や対空砲火の高速突破による高い命中率（命中率25パーセント）を期待している。もっとも紫電改の生産数が月70機を越えることはなく、計画は中止となった。1945年（昭和20年）10月16日に米軍に引き渡すための空輸の際、米軍のハイオクガソリンを用いて全速で飛ぶ紫電改3機（志賀淑雄少佐、田中利男上飛曹、小野正盛上飛曹が示し合わせて実行。武装撤去、銃弾未搭載のため軽量）に、実弾を装備した監視役の6機のF4Uは置き去りにされそうになったという。紫電改で戦った搭乗員からの評価は高く、三上光雄は「軽戦に対する重戦でありながらも零戦の塁を摩する」「零戦は軽戦、紫電改は重戦と言うべく十分使えた」、磯崎千利、松場秋夫は「零戦同様に使えた」と評し、磯崎は最大の欠点として高速ダイブ中の戻りに対する強度不足を挙げている。笠井智一、佐藤精一郎は失速性その他に注意しながらも紫電改で戦えたことを最高の誇りとし、20ミリ4銃の威力と包路線型フラップの効用を評価した。岩下邦雄や笠井智一はF6Fと互角に戦える素晴らしい機体として歓迎した。笠井によれば、紫電改にとって最も手強かった米軍戦闘機はF6Fで、紫電と紫電改には雲泥の差があり、紫電改配備後の訓練搭乗機に紫電を指定されると、全員が気落ちしたという。本田稔は、当時の若年搭乗員で12機編隊着陸が一様にできた操縦性、腕比利用による高低速両用の操縦性を評価し、戦後の三菱テストパイロットとしての外遊資料から大戦末期における双璧は紫電改とP51であると述べている。紫電改のテストパイロットだった志賀淑雄は紫電改は猪のように何にでも食いついていけるおてんば娘で使える機体だと思ったという。当機での実戦経験はないが教育に関わった坂井三郎は、航続力がない点からみれば九六艦戦時代に逆戻りした感があるが、極めて斬新な設計（空戦フラップ）が施された優秀な戦闘機と評していた。しかし、晩年には「制空戦闘機とも局地戦闘機ともいえない中途半端な戦闘機」と評して批判的になった。坂井は、343空に教官として着任した際に『局地戦闘機 紫電一一型空中使用標準参考』（一一型を紫電改と間違えている）を制作したとして、空戦フラップを「旋回性能は良くなるが、作動の面で信頼性に欠けた」「舵が効きすぎた時の修正が難しい」など批判するが、「水銀の表面が酸化して導通が悪くなり、油圧機が誤作動する（水銀は常温で酸化しない）」などの非科学的な内容を含んでいる。米技術雑誌『ポピュラーメカニック』では、米空軍の試験で紫電改のマグネットを米製に替え、100オクタン燃料を使って空軍で飛行した結果、速力はどの米戦闘機にも劣らず、機銃威力は一番強いと紹介された。ピエール・クロステルマンの著書「空戦」では、紫電改が高度6,000mでP51マスタング44年型と同程度のスピードを発揮したことからマスタング44年型のカタログスペックを基準とした最高速度時速680km説を採用しており、当時の連合軍の空軍関係者はその程度の速度と認識していた。また、川西航空機設計課長だった菊原静男によれば、1951年（昭和26年）に来日した米空軍将校団の中にアメリカで紫電改をテストした中佐がおり「ライトフィールドで紫電改に乗って、米空軍の戦闘機と空戦演習をやってみた。どの米戦闘機も紫電改に勝てなかった。ともかくこの飛行機は、戦場ではうるさい存在であった」と評したという。スミソニアン博物館に展示されている紫電改の説明文に「太平洋で使われた万能戦闘機のひとつである」とされながらも「B-29に対する有効な邀撃機としては高高度性能が不十分であった」と書かれているように、局地戦闘機としては高高度性能が優れているとは言えなかった。これは日本機に共通する欠点で、排気タービン過給器(ターボチャージャー)や二段式機械過給機（スーパーチャージャー）を実用化できなかったためである。なお、この紫電改の高高度性能不足の対策として、一時は生産中止されそうになった雷電の生産促進がなされている。主力戦闘機として大生産計画が立てられたものの、実戦配備がB-29による本土爆撃が本格化した1944年（昭和19年）末であったこともあって紫電改の生産数は約400機に留まり、「大東亜決戦機」として3,000機以上生産され、文字通り大戦末期における陸軍の主力戦闘機となった四式戦とは対照的と評価されることがある。近藤芳夫（疾風開発者）は「疾風は一撃離脱のキ44（鐘馗）が原点。紫電改は空中格闘戦に拘っていた」と述べている。『The Illustrated Directory of Fighters』（Mike Spick著）P.218によると、N1K2-J(紫電改)は高度19,030フィート(5,800 m)において最高速度416マイル(669 km/h)、海面高度において最高速度358マイル(576 km/h)、上昇率は高度20,014フィート(6,100 m)まで6分6秒との性能が記載されている。これらの数値は連合軍による鹵獲機での試験データに基づく数値と注釈で触れられているが、元となった試験情報の出典など詳細は不明である。英国のブランドフォード社の『原色航空機百科』（K.マンソン著）では「太平洋戦線に出現した日本機中、最もすばらしいもののひとつであった」と高く評価されている。