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一式戦は1,000馬力級エンジンを装備した戦闘機としては非常に軽快な運動性を持っていた。しかし、試作機の最大速度が九七戦とさほど差がなかったことから、旋回性についても九七戦と同等以上の確保が要求されたため、キ44用に開発された蝶型フラップ（空力班としてこれらの研究開発に携わっていたのが糸川技師）が装備された。このフラップは戦闘フラップ（空戦フラップ）としても使用することが可能で、旋回半径を小さくするのに効果的であったが扱いが難しいため、熟練者でなければ実戦で上手く活用することは難しかったとされている。鹵獲一式戦をテストした連合軍は旋回性に対して「とくに"戦闘フラップ"を使用したときの旋回能力はきわめて高く、零戦に勝る」と評価している。先述の通り、九七戦との比較についてはのちに戦闘フラップを使用しなくとも、水平方向でなく垂直方向の格闘戦に持ち込むことで圧倒可能と判断されている。一式戦一型の翼面荷重は102kg/m²、二型は117kg/m²、二式戦一型は171kg/m²、Bf109-Eは170kg/m²であり、一式戦の数値は群を抜いている。ちなみに零戦二一型は107.89 kg/m²、F4Fは115kg/m²、スピットファイア Mk. IXeは149 kg/m²であり、各国戦闘機の設計思想がうかがえる。操縦性・安定性もきわめて高く、機体構造が強化されて以降は危険な飛行特性も無くなり、離着陸時の操縦性・失速特性も良好であった。連合軍は一式戦の低高度・低速域における運動性・加速性の高さを脅威と見なしており、そのため「格闘戦を避け一撃離脱戦法の徹底」「速力と高高度性能を生かし高速・高高度を維持する」「一式戦が不得意な急降下による離脱」といった対策を心がけるようになっていった。以下は一式戦と対峙した連合軍戦闘機操縦者の発言である。欧州から来たばかりのパイロットは、01（ゼロワン。一式戦のこと）やゼロ（ビルマ方面の連合軍は一式戦を零戦と誤認しているためこのゼロとは零戦ではなく一式戦のこと）との格闘戦を試みるのは死にに行くのと同然だ、という教訓を頭に叩きこまれた。軽量な日本機は軽快な運動性を持ち、米軍と英軍のどの戦闘機と戦っても内側に回り込んでくる。（後略）ここでの戦闘の戦術はドイツ空軍相手の戦術とまったく別ものだ。日本機は低い高度で非常に運動性が高い。（中略）絶対に低高度での低速格闘戦に誘い込まれてはならない — ビルマ航空戦で一式戦と交戦したイギリス空軍（前略）格闘戦や旋回戦に入ったら一巻の終わりだ第一に格闘戦を避けねばならない。これに巻き込まれれば日本機は高い運動性を発揮し、君の勝ち目はほとんどない — ニューギニア航空戦で主に一式戦と交戦したアメリカ軍二型・三型と改良されているものの一式戦の最大速度は連合軍戦闘機と比較すると劣速であり、さらに連合軍は大戦中期以降は初期の戦訓から一式戦の得意とする格闘戦を避け一撃離脱戦法を徹底、高性能の無線機による複数機の連携で対抗するようになった。大戦中後期には、基礎工業力や補給能力の低さにより必要な機体数や補充操縦者、物資を十分に揃えられなかった日本軍は劣勢となり、一式戦に限らず日本軍機は稼働率が低下していった。第59戦隊飛行隊長南郷大尉は1943年12月16日の戦爆連合40機（一式戦16機・三式戦18機・一〇〇式重爆撃機「呑龍」6機）によるマーカス岬上陸連合軍攻撃任務においてP-38 15機と交戦したが、高空から急降下一撃離脱を行うP-38に5機の一〇〇式重爆が撃墜されたことに対し「P-38に翻弄され、もはや一式戦の時代にあらず」と日記に記しており、600 km/hを超える高速機が一撃離脱戦法に徹した場合は対処が難しいことが判明している。なお、この空戦の2日後には再度マーカス岬に南郷機ら一式戦と三式戦の戦闘機単独計30機が出動して16機のP-38と交戦し、運動性を活かして2機を確実撃墜した結果、損失は1機であった。しかし、操縦者らは運動性を最大限に引き出して大戦中後期の劣勢下でも一定の戦果を挙げていた（#ビルマ航空戦・#インドシナ、マレー、インドネシア方面・#中国航空戦）。特に爆撃機を護衛する戦闘機は護衛対象から離れられないため、実戦では高度の維持や一撃離脱戦法の徹底が難しく、運動性に優れる一式戦を追う間に格闘戦に引きずり込まれたり、攻撃を回避され弾を無駄撃ちし過ぎた事例もある。そういった大戦後期の一式戦の特性を「落とせないが、落とされない」とも評される。一例として1944年7月5日、中国戦線の九江にて飛行第48戦隊の一式戦が第26戦闘飛行隊のP-51Bと交戦し1機を確実撃墜（メイス中尉機）。P-51B撃墜後に一式戦の多くは離脱するも、ただ残った少候出身のベテラン木村増吉中尉機とされる1機は8機ものP-51と交戦、一式戦は巧みな機動で攻撃を回避しP-51全機は全弾を撃ち尽くしてもこれを撃墜することはできなかった。アメリカ軍はこの一式戦操縦者を「九江のエース」と名付け、以降同方面への出撃時は警戒するようになった事例がある（#中国航空戦）。
実用上昇限度はカタログスペックでは10,000mに到達していた。しかし戦闘機に搭載できる液冷エンジンに2段2速のスーパーチャージャーを採用し、7,000m以上でも安定した性能を発揮する欧米戦闘機に対し、日本では技術的制約から空冷に1段2速のスーパーチャージャーが限界であった。実戦では5,000m付近から性能の低下が報告され、利点である運動性・加速性・上昇力を発揮できなかった。またエンジンだけでなく無線機などの装備も気温の影響を受けやすく運用上の制限となった。以下は1943年4月10日に第64戦隊第1中隊に着任、1944年3月16日に空戦で負傷し内地に帰還するまでビルマ航空戦を戦った伊藤直之大尉の発言の抜粋である。（前略）隼も5000m以下なら、敵機と互角にやれるけど、5000m以上になるとぐっと性能が低下するし、（後略） — 元陸軍大尉 伊藤直之
「軽単座戦闘機（軽戦）」と定義される一式戦は、「運用目的を対戦闘機戦闘に絞ることで武装の限定等の軽量化を可能とし、低出力エンジンでも一定の性能を確保する」という思想の元で開発されたため、並行開発中の「重単座戦闘機（重戦）」である二式戦とは異なり、開発当初は武装は（7.7mm・7.92mm級）機関銃と軽装とされていた（#『陸軍航空兵器研究方針』）。当初はドイツ製のMG17 7.92mm機関銃の国産型が予定され、実際に試作1~3号機に2挺ずつ搭載されていた。この機関銃は口径こそ従来の7.7mm機関銃と大差ないが、より発射速度と弾丸威力の大きい新型で九八式固定機関銃の名で制式採用となった。ところが、使用するバネの国産化が上手くいかずプロペラ同調に狂いが生じたため、4号機以降の増加試作機や一型甲（キ43-I甲）には従来の八九式固定機関銃（口径7.7mm）が機首に2挺装備された。しかし1939年（昭和14年）、ノモンハン事件の戦訓や欧米機情勢の研究によって時流に乗った陸軍はより威力の大きい口径12.7mmの機関砲の搭載を模索、ホ101・ホ102・ホ103・ホ104の4種類の試作が始まった。ホ102はイ式重爆撃機としてイタリアより輸入したBR.20搭載のSAFAT 12.7mm機関銃の国産型で、増加試作機の7号機と10号機に搭載して試験が行われた。ホ103は、アメリカのM2 12.7mm重機関銃の航空機関銃型であるAN/M2 12.7mm機関銃(MG53-2)を参考に、ブレダSAFATの弾薬筒規格（もともとはイギリスのヴィッカーズ系12.7mm×81SR弾。AN/M2 12.7mmは12.7mm×99弾を使用）に変更・開発されたものであり、これは一式十二・七粍固定機関砲（一式固定機関砲）の名称で制式採用され、のちの陸軍主力航空機関砲となる。なお、1936年（昭和11年）に陸軍は「機関砲」と「機関銃」の区分を改正、「砲」に類似した構造機能のものは「機関砲」および「銃」に類似した構造機能のものは「機関銃」とすることとし、名称も制定時に振り分けられることとなっている（従来は口径11mm以下を一律に「機関銃」と定義）。そのため口径12.7mmでありながら後述の榴弾を有するホ103は「機関砲」とされた（反対に榴弾は有しないものの口径13.2mmで、かつては「機関砲」であった九二式車載十三粍機関砲・ホ式十三粍高射機関砲は、それぞれ九二式車載十三粍機関銃・ホ式十三粍高射機関銃と「機関銃」に改称）。一式戦は開発中だったホ103の生産にめどがついたことから機首左側の八九式をホ103へ換装することになり、これは順次施され一型乙（キ43-I乙）と称された。太平洋戦争開戦時までには全ての第一線機が最低でも機首右側に八九式を1挺、左側にホ103を1門装備の一型乙となっており、7.7mm（八九式）2挺のみの一式戦は実戦には事実上投入されていない。八九式とホ103の交換は容易に可能であるが、初期のこの混成装備の主な理由はホ103は新鋭兵器であるゆえに数が不足しており、信頼性（故障）も考慮したためとされる。一方で、太平洋戦争開戦前に一式戦を受領する第64戦隊長加藤建夫少佐は「自分がまず試し、いずれ全機を機関砲2門にしたい」と航本に上申し、戦隊長機たる自身の搭乗機にホ103を2門装備させている。第64戦隊長となる前の加藤少佐は航本部員であり、航本教育部員時代には性能不十分なキ43自体の制式採用や、重量が重く新兵器ゆえに信頼性にも劣る機関砲の装備にも反対していたが、戦隊長として航本の頼冨美夫大尉（航本総務部員として一式戦採用に携わる。戦後は航空自衛隊空将補）から一式戦への機種改変を知らされた際には一切の不平を言わず機体の研究に励み、他の操縦者達がホ103に対し信頼を抱かせるように機体受領時の時点で2門装備とさせている。のちの一型丙（キ43-I丙）からは機首2門ともホ103装備となるが、上述の通りホ103(12.7mm)と八九式(7.7mm)の換装は第一線飛行部隊でも容易に実施可能な作業であり、第64戦隊長加藤少佐機のように開戦前にはホ103 2門装備の機体も存在しているため、乙・丙といったものは便宜的な区別に過ぎない。
ホ103は発射速度も良好で、モデルとなったAN/M2 12.7mmにはない榴弾（炸裂弾）であるマ103が使用可能かつ、より小型軽量という長所がある一方で、軽量弱装弾のため威力や有効射程に劣るという短所もあった。初期はマ103の機械式信管の不具合により、弾丸が砲身内で破裂して機体を破損するケース（腔発）が多発しており、このため、初期には砲身に鉄板を巻くことで腔発時の被害を少しでも軽減する措置がとられた。しかしながら、ホ103・マ103の量産と並行してこれらの不具合も徐々に改良されていき、1943年後半には新型マ103（新型マ弾）が実用化され同年末から早急に実戦配備されている。この新型マ103は陸軍で新開発された空気式信管を使用することにより暴発事故は激減、かつ生産効率が（従来の複雑な機械式信管と比べ）8倍に上がり、さらに信管機構が単純化されたことにより弾丸にスペースができ炸薬が増量されたため火力が増大した。当然ながら、大型で重量のある弾丸を持ち炸薬および装薬量も多い本格的な20mm榴弾と比べ、新型マ103といえど12.7mm弾にすぎない本弾薬筒の威力には限界があるものの（高威力を望む陸軍は続いてホ103をベースとする口径20mmのホ5 二式二十粍固定機関砲を開発・採用している）、実戦で新型マ103を使用する一式戦と交戦したアメリカ軍機乗員は、その破壊力から「20mm弾が命中した」とよく誤認・報告していることが確認できている。1943年12月1日、ラングーンに飛来したアメリカ軍戦爆連合82機を第64戦隊を中心とする陸軍戦闘隊が迎撃し、指揮官機たる第7爆撃航空群第493爆撃飛行隊長プランマー中佐機や第308爆撃航空群指揮官オブライエン少佐機を筆頭に6機のB-24を確実撃墜しているが（第530戦闘爆撃飛行隊の1機のP-51Aも確実撃墜、日本側の損失は2機被撃墜（戦死1名）と5機が被弾損傷あるいは不時着に止まっている）、同空戦が初陣となったのちのエース・池沢十四三伍長はこの頃から新型マ103を使用し始めたと証言している。一式戦が搭載するホ103の装弾数は1門につき計270発で、弾種は基本的に一式曳光徹甲弾弾薬筒・マ103・マ102（マ103と同じマ弾でありこちらは焼夷弾）の3種類を各割合1で使用していた。
「空の狙撃兵」と呼ばれた九七戦より更に高い射撃安定性を持つ一式戦は、武装搭載数の割には命中率がよかったと言われる。しかし、ラバウルやニューギニア、ビルマでB-17やB-24の4発大型爆撃機の迎撃にあたっては、防弾装備の質の高さやハリネズミと形容された旋回機関銃の防御砲火により苦戦を強いられるなど、設計時に想定していない大型爆撃機迎撃に用いるには火力不足であった。第64戦隊長加藤中佐機が撃墜されたのも、火力不足を補うためにイギリス空軍のブレニムに接近しすぎ、機体引起し時に腹部を晒したことが原因の一つだったとされている。緒戦である南方作戦中の1942年2月19日に第59戦隊・第64戦隊の一式戦が協同でB-17E 1機を確実撃墜しているが、防御砲火により2機が撃墜されている。ただし一式戦の火力は大型爆撃機に対し無力だったというわけではなく、日本陸軍航空部隊自体が爆撃機攻撃に慣れ、編み出した「対進攻撃」を実施するようになると着実に撃墜戦果を多数挙げており、一例として（両軍の損害報告からの数字）飛行第25戦隊・飛行第33戦隊の一式戦は1943年8月の漢口の迎撃戦などでアメリカ陸軍第425爆撃飛行隊のB-24に対し前上方・前下方からの反航攻撃を試み、1か月に満たぬ期間で損失2機に対し10機を確実撃墜、1943年末以降は上述の通り新型マ103が配備されているため、信頼性とともに一式戦の火力は従来より増していることとなる。末期にはB-17・B-24を凌駕する最新鋭のB-29に対しても一式戦は戦果を残しており、例として1944年11月5日、シンガポールのセレター軍港に飛来した53機のB-29を第1野戦補充飛行隊と第17錬成飛行隊の一式戦15機が迎撃、損失1機に対し最高指揮官機たる第468超重爆撃航空群指揮官テッド・フォールカー大佐機1機を確実撃墜した。誤認による事故であるが、陸軍機と異なり防弾装備が皆無である海軍の九六式陸上攻撃機の右エンジンに短い連射を浴びせただけで空中爆発させ、撃墜してしまった「実績」もある。連合軍機との火力差を埋めようにも主翼が翼銃・翼砲搭載に向かない三桁構造であったため、搭載するには主翼構造自体を再設計して変更せざるを得ず、新たな生産ラインを作る手間と時間が必要だった。また中島においては、より高速で12.7mmや40mmの翼砲を持つ二式戦や、20mm砲を装備する後続機たる四式戦の開発・配備が進んでいたためか、一式戦への翼銃砲の装備は見送られた。手っ取り早い武装強化として主翼下へのガンポッド装備も検討されたが、飛行性能が低下することからこれも見送られている。ホ103の拡大型であり四式戦などに装備されていた口径20mmのホ5 二式二十粍固定機関砲を搭載したキ43-III乙も試作されたが制式には至らなかった。キ43-III乙不採用の経緯については従来語られてきた機体性能の低下ではなく（上昇力・上昇限度はキ43-III甲よりわずかに劣るものの急降下性能は向上）、すでにキ43-III甲用の発動機架が大量に用意されていたためとされる。
一式戦は1939年の試作段階から陸軍の指示により、被弾時の燃料漏れによる火災を防ぐため、燃料タンクの外装を薄い積層ゴム（3層）・絹フェルト・絹布で包んだ7.7mm弾対応のセルフシーリング式防弾タンク（防漏タンク・防火タンク・自動防漏式タンクとも）を有しており、これは制式化されたのちの一型全機が装備している。改良型の二型では、燃料容量36l減と引き換えに耐弾防火性に優れ12.7mm弾に対応する、航技研第2部開発の13mm厚積層ゴム（外装式3層）の新型防弾タンクに換装。かつ、二型は1943年6月よりの量産型（中島製5580号機より）からは操縦者の頭部と上半身を保護するため、操縦席後部に13mm厚・合計3枚・合計重量48kgの防弾鋼板（防楯鋼板。12.7mm弾対応）を追加装備した。実戦配備の一例として、第64戦隊は1943年7月19日時点でこの防弾鋼板装備型を補充機として受領している。帝国陸軍は欧米機情勢の研究、およびソ連軍を相手としたノモンハン事件の戦訓によって海軍と異なり防弾装備の重要性を痛感しており、一式戦や二式戦といった次期主力戦闘機のみならず、九七式重爆撃機（キ21、1939年中頃の初期量産型一型乙の時点で燃料および潤滑油タンクを積層ゴム等による防弾タンク化済。1943年中頃の二型乙からはさらに操縦席と後上方砲塔へ16mm厚防弾鋼板・70mm厚防弾ガラスを追加、防弾タンクは16mm厚積層ゴムに換装し自動消火装置も装備）や、九九式襲撃機（キ51、1939年の試作時点から防弾タンクおよび、エンジン下面・操縦席下面・操縦席背面・胴体下面・中央翼下面に6mm厚防弾鋼板を装備）といった主力重爆撃機・襲撃機（攻撃機）でも早々から相応の防弾装備を要求し採用している。後継主力戦闘機である四式戦では、新型防弾タンク・13mm厚防弾鋼板に加え風防前面に70mm厚防弾ガラスを追加し撃たれ強い機体となっている。これら防弾装備が考慮されていた一式戦であっても、同世代欧米機の装備（防弾タンクは効果に最も優れる内装式、防弾鋼板は操縦席後部に限らず前部等にも取付、前後の防弾ガラス等）には劣っていたが、防弾タンク・防弾鋼板と合わせて一定の効果が発揮された。
7.7mm弾対応防弾タンクを持つ一型をもって、7.7mm機関銃（.303ブリティッシュ弾仕様ブローニング Mk.2）装備のハリケーンやB-339系（F2A バッファロー）と交戦した開戦劈頭の第59戦隊・第64戦隊では、一式戦（一型）の防弾は十分に効果があったと判定されている。戦隊は新鋭一式戦や戦況について内地へ多数報告しているが、その中には「防弾タンク効果あり」の一文が存在している。二型で採用された12.7mm弾対応防弾タンクにおいても、相応の実用性は確認されている。航技研第2部で防弾装備の研究・開発にあたっていた今村和男航技中尉は、鹵獲したB-17Dを参考にして12.7mm弾対応の新型防弾タンクを実用化する。合成ゴムのネオプレンを使用したアメリカ軍機の内装式は技術的制約から日本では製造できないため、天然ゴムをタンク外側に貼った外装式とし、肝心の耐弾性に関しては研究の結果、ゴムに加える硫黄の量を減らすことでゴムは割けずに膨らみ溶けて被弾した割け目を塞ぐことに成功し、この外装式でも対12.7mm弾なら一応持ちこたえる能力を発揮した。この新型防弾タンクについては第一線部隊から感謝の電報が送られたうえ、今村中尉ら航技研第2部の開発陣には第2号目となる陸軍技術有功章が陸軍大臣から授与された（授与第1号は三菱の一〇〇式司偵開発陣）。
防弾鋼板の効力に関しては、1943年10月に第64戦隊に着任以後敗戦まで二型・三型に搭乗し第一線で戦った池田昌弘軍曹（陸軍少年飛行兵11期、総飛行時間1,300時間）による以下の証言がある。池田軍曹の証言では頭部鋼板は8mm厚2枚の計16mm厚となっている。なお、P-38はAN/M2 20mm機関砲1門とAN/M2 12.7mm機関銃4挺を射撃安定性に優れる機首に集中装備した重武装機である。わたしはP38にやられたとき（昭和19年10月18日）、防弾板で命拾いしました。（中略）で、マウビ飛行場の上で、4機見つけて「こーら、しめた」と思うて、攻撃しようとしたら、後ろからガガーンっと来て、初めて気づいたんですよ。頭の防弾板は8ミリが2枚になってるんです。それが、1枚目は、吹っ飛んでしもうて、2枚目は割れてました。そやから、防弾板は着けとって良かったわ。機付長の少飛8期生が「駄目だぞ！これ外しちゃ」って、「なんなら、もう1枚着けたろか」なんてね。スピードの5キロや、10キロの差を云々するより、着けとった方が皆、生き残ったことと思いますねェ。 — 元陸軍軍曹 池田昌弘操縦者や所属によっては、少しでも搭乗機の性能を向上させるため重く嵩張る防弾鋼板が意図的に外されることもあった。また、後方警戒をし易くするため頭部鋼板のみ外し、背面鋼板は残されることもあった。上述の第64戦隊池田軍曹は「わたしは防弾鋼板は外さなかった。機付長が、絶対駄目だって外してくれへんのですよ。外してくれいうたことがあるんです。みんな外しますからね。でも1中隊は外さなかった。隅野さんがいた3中隊では、みな張り切って外しとった」、「取っても、そんなに（性能は）変わらんと思うんですけど。まァ、重さにしたらかなり重量（60キロ）あるから……、でも、外したから「そォら、スピード上がった」いうことはなかった思いますけど、気持ちの問題やないですかね」と述べている。
一式戦は両翼下に最大250kg爆弾を1発ずつ懸架ないし落下タンクとの併用が可能であった。しかし大型爆弾を搭載した場合飛行性能が大幅に低下し最大の利点である運動性能が犠牲になる他、脚部の強度が不十分であるため離着陸に注意が必要であるなど運用上の制限が存在した。主に大戦中期以降には飛行分科「戦闘」の部隊において、一式戦（一式戦に限らず三式戦・四式戦・二式複戦）といった陸軍戦闘機は通常爆弾・タ弾（クラスター爆弾）・カ弾（焼夷弾）を搭載した戦闘爆撃機として対地および対艦攻撃に積極的に使用されている。さらに飛行第31戦隊・飛行第65戦隊などの飛行分科「襲撃」の部隊は「爆装一式戦」に機種改変し爆撃（襲撃）任務に投入されている。特に沖縄戦従軍下の第65戦隊は整備隊が考案したチャフ散布装置を各機に装備させる、超低空飛行を行うなどし沖縄近海の連合軍艦船や制圧下の地上施設に対し通常攻撃で戦果を挙げた。第64戦隊の爆装一式戦による対艦攻撃の確実戦果一例として、1945年2月11日、ラムリー島の戦いにおいてイギリス海軍艦艇攻撃に出撃した12機のうち、池沢軍曹機と僚機の池田軍曹機の2機が2,200t級駆逐艦「パスファインダー」に急降下爆撃を敢行、艦尾に2発の直撃弾を与え大破させている。「パスファインダー」は戦線を離脱しイギリス本国に曳航されたものの、損傷激しく戦後廃艦となっているため事実上の撃沈であった。また輸送船団掩護時に、本来は想定されていない任務であるが小型爆弾を装備しての対潜哨戒機としても運用されている。1944年10月以降のフィリピン防衛戦では、一式戦を装備する飛行第20戦隊が機体を洋上迷彩たる濃紺に塗装し制空戦闘機兼対潜哨戒機としてこれを運用していた。ほか、1944年4月14日11時20分頃、アンダマン諸島沖船団掩護中の飛行第26戦隊石川清曹長機が、船団前方3,000m付近で敵潜水艦が放った魚雷航跡3本を発見。基地に無線報告するとともに敵潜推定位置に爆弾を投下、航走中の魚雷に対して機関砲を射撃、それでも魚雷は1,200名乗船の輸送船「松川丸」に迫ったため、これに体当たりし2本を爆発させ輸送船を護った事例がある（石川曹長は戦死後任陸軍少尉、個人感状拝受）。
交戦相手の連合軍において一式戦は海軍の零戦と誤認される事例が多かった。天蓋・主翼・尾部および胴体の形状が大きく異なるが、全体の外観や性能が類似していることに加え、支那事変（太平洋戦争開戦前の日中戦争）への実戦投入は零戦が早く連合軍はその存在を太平洋戦争開戦前に認識していたこと、1942年夏まで一式戦は各地に出揃っていないことが理由として挙げられる（緒戦たる南方作戦における一式戦の主戦場はマレー、シンガポール攻略戦とインドネシア攻略戦。ビルマ攻略戦は1941年12月25日に臨時に第64戦隊が投入されたのみで本格的な転戦は1942年3月21日から。フィリピン攻略戦に一式戦は未投入）。ビルマ方面のイギリス空軍からは「ゼロ・ファイター」に類似した「ワン・ファイター」ということで「01（ゼロワン）」と、それ以前にフライング・タイガース(AVG)によって「ニューゼロ」と呼ばれたことも一時期あったという。大戦中後期に至っても、またビルマ・ニューギニア・中国方面といった陸軍航空部隊の主戦場であっても零戦との誤認は多く、そのため「零戦の戦果とされているものの一定数は一式戦の戦果」である（#「ブラックドラゴン飛行隊」伝説ほか）。事実、一式戦が大戦初期からその末期まで一貫して互角ないしそれ以上の活躍を見せていたビルマ方面において、一式戦と交戦していたアメリカ・イギリス軍機操縦者などは殆どの場合、相手の日本軍戦闘機を「ゼロ（零戦）」と認識・報告していた。一式戦の性能面に対して、上述の通り連合軍は低高度・低速域における運動性・加速性の高さを脅威と見なし、対策を徹底した。
ビルマ方面のアメリカ陸軍航空軍・イギリス空軍各飛行部隊の操縦者は、現地の強力なある日本軍戦闘隊を「ブラックドラゴン飛行隊」と呼称していた。第7爆撃航空群・第22爆撃飛行隊・第311戦闘爆撃飛行隊・第530戦闘爆撃飛行隊（米）、第67飛行隊（英）などの報告・戦記にこの「ブラックドラゴン飛行隊」に関する証言・記述があり、その内容は曰く「ガダルカナルからきた精鋭」「6機の零戦隊で、指揮官は黒塗りのメッサーシュミット109(Bf 109)」などとまことに想像力豊かなものであった。当然ながらこの方面は第64戦隊・第50戦隊等、主に一式戦を装備した日本陸軍航空部隊の担当戦域であり日本海軍の零戦は関係が無く、「ブラックドラゴン飛行隊」の正体は言わば「ブラックファルコン飛行隊（隼飛行隊）」となる。
1945年8月15日、太平洋戦争開戦時の進出基地であったフコク島ズォンドンにてタイランド湾の船団掩護を最後の任務とした第64戦隊は、翌16日にクラコールに移転し敗戦を迎えた。同月下旬、クラコール飛行場にイギリス空軍先遣部隊が進出し武装解除。続々と後続が進出するごとに日英ともに緊張も解け交流が始まり、一式戦とスピットファイアの編隊飛行が実現した。戦隊長宮辺少佐の「おいっ、スピットと一緒に飛びたい者、1機だけだ」の発言に操縦者達は皆挙手したが、最終的に戦隊古参のエースである坪根康祐准尉が選ばれスピットファイアを長機とし2機は離陸。2機はクラコール市街上空を低空で飛び回り、日英操縦者達の眼前でフィナーレとして滑走路に超低空進入しての垂直上昇、一式戦はブースト全開でスピットファイアに追随し栄光の「加藤隼戦闘隊」こと飛行第64戦隊と一式戦の最後を飾った。このスピットファイアはグリフォンエンジン（離昇出力2,035馬力）を搭載した5翅プロペラのグリフォン・スピットファイア（グリフォンスピット）ことMk. XIVであった。ただし、これを目撃した池田昌弘氏は、全速の百式司偵三型が悠々とスピットファイアに追い越された上で宙返りまでしたことを聞き、「垣根さんと一緒に飛んだスピットファイアも、きっとレバーを加減して飛んでくれたのでしょう」と、語っている。
各地を制圧した第64戦隊は1942年3月21日からビルマ戦線（「ビルマ航空戦」）に参戦。以後、主にイギリス空軍およびアメリカ陸軍（初期はフライング・タイガース(AVG)を含む）と交戦し、同月23日には損害無くハリケーン1機を撃墜（第136飛行隊ブラウン少尉機）し同戦線における初戦果を収めている。このビルマ航空戦にはその活躍で有名な第64戦隊が長期間従軍しエースを多数輩出、一式戦を主力とし大戦末期に至るまで連合軍空軍と互角の戦いを繰り広げた戦域となる。第64戦隊の一式戦は3月24日午後には一方的にハリケーン2機を撃墜（第136飛行隊パイネ軍曹機・バトラー軍曹機）、1機を撃破（フレッディー軍曹機、不時着損傷）するなど戦果を挙げたが、4月8日のローウィン飛行場攻撃ではアメリカ陸軍(AVG)のP-40 8機・イギリス空軍のハリケーン3機と交戦、連合軍側はレーダーで第64戦隊機の侵攻を探知し待ち伏せ奇襲、名実共に加藤中佐の片腕として前身部隊である飛行第2大隊第1中隊時代から活躍していた古参エース第3中隊長安間大尉機や、ノモンハン事件以来のベテラン和田春人曹長機を含む4機を喪失。4月10日早暁、先の8日の復讐として、加藤中佐以下第64戦隊は夜間航法をもってローウィン飛行場を奇襲攻撃。一般飛行部隊でも夜間飛行と夜戦が考慮されている陸軍航空部隊においても、暗夜に（ビルマにおいて早暁はまだ暗夜となる）、山岳地帯を、全速力で（横風偏流誤差の考慮しまた敵地在空時間を減らすため）、600km以上の距離を、低空で侵攻することは極めて困難なものとなるが、編隊を先頭で率いる加藤中佐機の優れた航法によって奇襲は成功し、在地のP-40約23機を対地銃砲撃によって撃破。20日には戦死した安間大尉の後任として二式戦をもって開戦以来活躍していた独立飛行第47中隊から黒江保彦大尉が第3中隊長として、第2中隊には中村三郎中尉・坪根康祐軍曹が着任しているが、この3名はのちに有数のエースとなる。5月22日、当時トングーに主力を置いていた第64戦隊の一部が一時前進していた最前線であるアキャブ飛行場に、ブレニム Mk.IV 1機（第60飛行隊マーチン・ハガード准尉機）が来襲。一式戦5機が迎撃に出撃するも、後上方銃座（射手マクラッキー軍曹）の巧みな射撃により2機が被弾し途中帰還、さらに1機が最初の近接降下攻撃からの引起し時に機体腹部（燃料タンク部）に集中射を浴び発火。この機体こそが戦隊長加藤建夫中佐機であり、午後2時30分、残された僚機2機の眼前で帰還不可能と察した加藤機は左に反転しベンガル湾の海面に突入し自爆した。ハガード准尉機は墜落することなく尾部への被弾2発のみでカルカッタまで帰還できたが、故障により片脚着陸を行ったため機体を破壊している。以下は檜中尉が加藤中佐戦死の夜に綴った日記文である。五月二十三日　日記十四時三十分、敵爆撃機ヲ急追撃墜セシ瞬間、国宝、我等ガ部隊長加藤中佐ヲ失イタリ、何タルノ痛恨事ゾ。豈ニ戦隊ノ損失ノミナランヤ。我ガ国ノ損失、言語ニ絶ス。此ノ部隊長ノ下ニ死ヲ誓イシ身、亦モ残ル。只コノ上ノ責務ハ軍神部隊長ノ任務必達ノ精神ニ生キンノミ — 元陸軍少佐 檜與平残された第64戦隊員にとって、平素格下と見なしていたブレニムの反撃による加藤中佐機の自爆は大きな衝撃であった。さらに、南方作戦の功労者かつ相当の人格者として有名な存在であった加藤中佐の戦死は帝国陸軍全体に衝撃を与え、30日付で「ソノ武功一ニ中佐ノ高邁ナル人格ト卓越セル指揮統帥及ビ優秀ナル操縦技能ニ負フモノニシテ其ノ存在ハ実ニ陸軍航空部隊ノ至宝タリ」と評される南方軍総司令官元帥寺内寿一陸軍大将名の個人感状を故加藤は拝受、陸軍初の二階級特進として任陸軍少将、特旨をもって従四位、功二級金鵄勲章・勲三等旭日中綬章を受勲。7月22日には陸軍省から国民に公表され「軍神」となっている。イギリス空軍側では日本のこの加藤軍神ブームを受け5月22日当日のブレニムの行動を再点検、8月2日付でハガード准尉機の乗員のもとにベンガル空軍司令官スチーブンソン少将から撃墜した相手が加藤建夫中佐という「大物」であった旨の電報が届いている。当時のイギリス空軍でも加藤がビルマ方面の戦闘隊指揮官で26機撃墜のエース、東京で公葬された軍神ということは伝わっていた。6月4日、「軍神加藤少将」の弔い合戦として第64戦隊の一式戦は数機のB-17Eと交戦、1機を第77戦隊の九七戦と協同撃墜している（第436爆撃飛行隊シャープ大尉機）。第64戦隊の一式戦は1942年6月4日までの空戦で最低でも連合軍機10機撃墜（協同撃墜のB-17E 1機を含む）、損害は11機喪失。撃墜連合軍機の機種内訳は戦闘機6機・爆撃機4機で、一式戦10機喪失はP-40によるものであった。同年4月、フィリピン攻略戦やビルマ攻略戦を経て日本に帰国した飛行第50戦隊から手初めに、旧式化した九七戦を運用する部隊は順次機種改変し（機種改変した後のエース部隊となる第50戦隊は9月にビルマ戦線に復帰）、以降一式戦は陸軍主力戦闘機となる。
1944年8月、第64戦隊は一式戦三型（キ43-III）に、第50戦隊は少数の一式戦を残しつつも四式戦へと機種改変。第64戦隊はこの頃拉孟・騰越守備隊に対する支援攻撃や物料投下を行っている。10月3日、第64戦隊の一式戦がメイクテーラ飛行場を襲撃したモスキートを迎撃。高速機モスキートを撃墜するため従来ビルマ航空戦で多用されていた「送り狼」戦法で巡航速度で帰還中の不意を突き1機を撃墜した（第45飛行隊プロクター大尉機）。5日、指揮官機自ら単機で飛行場に来襲したボーファイターを中村大尉機が執拗に追尾し1機を撃墜（第177飛行隊長ヒル中佐機）。10月6日、マンダレーに来襲したB-25 12機を第64戦隊が迎撃し1機を撃墜するも（第83爆撃飛行隊コーチ中尉機）、1機を喪失。この空戦で中村大尉機と僚機2機の一式戦計3機は直上からの一撃離脱攻撃を行いコーチ中尉機は空中爆発、続いて後続機にも同様の直上攻撃を試みたが、タイミングがずれ防御放火の集中を受けた中村機は空中分解、のちに「軍神加藤少将の再来」と謳われる眉目秀麗のエース中村大尉は戦死した。多くのエースを輩出し多くの戦死者も出した第64戦隊で個人感状を拝受し二階級特進の栄誉に輝いた者は加藤建夫少将とこの中村三郎中佐のみである。10月18日、第64戦隊はボーファイター1機を撃墜するも（第211飛行隊コールズ大尉機）、1機を喪失。10月19日、インド洋上で第1野戦補充飛行隊の一式戦二型（キ43-II）9機がイギリス海軍空母機動部隊艦載機と交戦。F4U編隊（空母「ヴィクトリアス」艦載機）とF6F編隊（空母「インドミタブル」）との間で30分の空戦を行い、4機を喪失するも3機を撃墜（F4U 2機・F6F 1機）。10月22日、第64戦隊はモールメン上空で指揮官機を含むB-24 3機を撃墜（第493爆撃飛行隊長ブランドフォード少佐機・ボドマー中尉機・ブライヤー中尉機）。11月19日、第50戦隊の一式戦1機がP-38 8機と交戦するも2機を撃墜した（フィックリン少尉機・バウマイスター中尉機）。12月11日、第64戦隊の一式戦28機はモンドウに侵攻し連合軍の資材集積所を地上攻撃し炎上3箇所を報告。帰途、スピットファイアMk.VIII 12機と交戦するも1機を撃墜し（第273飛行隊バリオン准尉機）、一式戦は喪失無く全機が帰還した。1945年1月9日、第64戦隊は第50戦隊（四式戦装備）とともにアキャブ沖連合軍艦船攻撃に出撃。第64戦隊はボーファイター1機（第27飛行隊）・シーオッター1機（第292飛行隊）を撃墜するも、戦隊長編隊がスピットファイアに襲撃され4機を喪失。戦隊長江藤豊喜少佐機はミエボン南方に不時着しており翌10日に無事帰還したものの、僚機の3名は戦死した。18日、メイクテーラの第64戦隊残置機の一式戦がP-47 18機・B-25 37機を迎撃、2機編隊の一式戦がP-47 1機を上空から襲い撃墜（第5戦闘飛行隊ギルモア中尉機）。2月19日、第64戦隊はイラワジ川上空でP-47と交戦し1機を喪失するも宮辺少佐機が1機を撃墜（第5戦闘飛行隊バーネ中尉機）。続く空戦では池沢軍曹機がハリケーン1機を撃墜（第28飛行隊ハンター中尉機）。2月26日、メイクテーラ付近で第64戦隊はP-47Dと交戦、1機を喪失するも最高指揮官機を含む2機を撃墜（第1特任航空群指揮官ゲイティ大佐機、第6戦闘飛行隊デイヴスン少尉機）。第64戦隊はさらにベンガル湾上空でB-29 1機（第44爆撃飛行隊リヨン大尉機）を撃墜。。4月24日、第50戦隊・第64戦隊の一式戦および四式戦計15機は第17飛行隊のスピットファイアと交戦、このうち第64戦隊の一式戦2機がクロフォード軍曹機を撃墜し、第64戦隊はビルマ航空戦における最後の撃墜戦果を記録した。28日、第64戦隊飛行隊長宮辺少佐は第9代そして最後となる第64戦隊長を拝命。地上の緬甸方面軍はイラワジ会戦・メイクテーラ攻防戦に完敗、5月2日にはラングーンが陥落しビルマ航空戦は事実上終了した。第3航空軍各飛行部隊はインドシナ、マレー、インドネシア方面に後退し防空戦を行い、のちの敗戦を迎えることとなる（#インドシナ、マレー、インドネシア方面）。
1942年半ば、一式戦を装備する飛行第24戦隊および独立飛行第10中隊が中国戦線に投入された。7月30日、第24戦隊27機・独飛10中12機の計39機の一式戦は広東を出撃し衡陽の飛行場を攻撃、10機のP-40Eと交戦するも戦果は無く1機を喪失、以降31日・8月5日・8日の空戦の結果は、P-40E 1機撃墜（第75戦闘飛行隊マイナー少尉機）に対し一式戦6機喪失と完敗に終わった（この一式戦喪失6機のうち3機は急降下追撃中の無理な引き起こしによって生じた空中分解事故によるものである）。また、在中国のアメリカ陸軍航空軍のP-40はフライング・タイガース(AVG)時代から、日本軍機が得意とする格闘戦には応じなかったことも要因であった。7月4日にフライング・タイガース(AVG)は解散し、中国・ビルマ・インド方面(CBI戦域)を担当するアメリカ陸軍航空軍第10空軍隷下の正規軍たる中国航空任務部隊(CATF)に編入されている南方に移動した第24戦隊に替わり9月10日、第33戦隊（一式戦装備）が広東に進出。アメリカ軍の活動が低調なため久しぶりの空戦となった10月25日、香港に飛来したB-25 12機・P-40 7機と第33戦隊の一式戦が交戦、喪失無しでB-25 1機（第22爆撃飛行隊オーラーズ大尉機）・P-40 1機（第76戦闘飛行隊シアー中尉機）を、28日には哨戒中の一式戦2機が爆装P-40 10機を攻撃し1機を撃墜（第75戦闘飛行隊オコンネル大尉機）、第33戦隊は損害無しで一方的に3機を撃墜し第24戦隊初戦の雪辱を果たした。独飛10中はこの頃第25戦隊に改変されている。11月2日、第33戦隊の生井清大尉機がP-40E 1機を撃墜（レーシー少尉機）、これは以後中国・ビルマ・ニューギニア・フィリピンの各航空戦を転戦する歴戦のエースの初撃墜戦果である。23日、天河飛行場に来襲した第76戦闘飛行隊のP-40を迎撃するため緊急離陸中であった第25戦隊の一式戦2機が撃墜された。以降、3か月間中国戦線では長らく大きな空戦はおこっていない。
1944年5月、支那派遣軍は大規模攻勢となる大陸打通作戦こと一号作戦を実施、第5航空軍もこれに呼応し航空撃滅戦を展開。関東軍の満洲からは第48戦隊（一式戦装備）が、のちの8月には日本内地より新鋭機四式戦を装備する飛行第22戦隊が進出している。第22戦隊は8月28日から戦闘に参加し始めているが、この日を境に従来二式戦を装備する第85戦隊のみならず、一式戦装備の古参第25戦隊にも少しずつ四式戦が配備されている。作戦発動の5月27日、進撃中の日本軍地上部隊攻撃に来襲したP-40Nを第25戦隊・第48戦隊の一式戦が捕捉し一方的にP-40 6機を撃墜。しかし6月6日・9日の空戦では一方的に5機を喪失し、戦果はP-40 1機撃墜（中国空軍第3大隊張機）、1機撃破にとどまった。6月26日、零陵飛行場に侵攻した第48戦隊は空戦で指揮官機を含むP-40N 2機を撃墜するも（第74戦闘飛行隊長クルックシャンク大尉機、第75戦闘飛行隊アームストロング中尉機）、帰還時の追尾攻撃を受け2機を喪失。7月5日、第25戦隊は一式戦9機でB-25を掩護するP-40 8機と交戦、1機を喪失するも1機を撃墜（第75戦闘飛行隊ハインズ中尉機）、1機を撃破。同日11時30分、第48戦隊はP-51Bと交戦し1機を撃墜（第26戦闘飛行隊メイス中尉機）。同日午後、第25戦隊は地上攻撃中のP-40を襲撃し1機を撃墜（第16戦闘飛行隊ティールホーン中尉機）。8月6日、第48戦隊は1機を喪失するもP-51B 1機を撃墜（第74戦闘飛行隊ホルコム大尉機）、8日に要衝たる衡陽を日本軍は制圧したが、同地を地上部隊とともに攻撃する九九襲/軍偵を掩護し出撃を重ねた第48戦隊は消耗。陥落当日の8日の空戦では3機を喪失し戦隊長も重傷を負い全滅状態となった。第25戦隊も4日の衡陽第三次総攻撃から陥落までの間に4機を喪失。一方で第25戦隊は8月19日P-40N 1機（第75戦闘飛行隊スミス少尉機）、20日P-51B 1機（第26戦闘飛行隊フィリップス中尉機）、22日P-40N 1機（米支第7戦闘飛行隊ガトート少尉機）、27日P-40N 1機（米支第5戦闘航空群周機）と、連続して一方的に撃墜する戦果を挙げた。9月中旬から11月上旬にかけて第25戦隊・第48戦隊の一式戦の活動は低調となる。長年にわたり帝国陸軍航空部隊の攻撃目標であった要衝たる衡陽・零陵はすでに陥落していたため、11月上旬に支那派遣軍は桂林を攻撃し、第48戦隊・第25戦隊・飛行第9戦隊・第85戦隊の各飛行部隊も漢口から衡陽飛行場に前進した。11日、衡陽にP-51C 8機が来襲し一式戦はこれと交戦、4機を喪失するもP-51C 4機を撃墜（第75戦闘飛行隊ミラー中尉機・ガットベリー中尉機・ライリー少尉機・テイラー中尉機）。しかし同日は10時から15時半にわたり延べ40機の戦闘機の襲撃を受け、さらに地上で炎上6機・大中破6機の損害を受け第48戦隊は一時壊滅状態に陥った。11月17日、石門に来襲した第530戦闘飛行隊のP-51と第28教育飛行隊の一式戦が交戦、飛行隊長深田少佐機とリチャード中尉機が対進戦で相撃ちとなった（双方戦死）。20日、第28教育飛行隊と第85戦隊の一式戦がP-51C 1機を撃墜（第118戦術偵察飛行隊ボウエン大尉機）。25日、第14教育飛行隊の一式戦2機が飛行場大隊の対空火器と連携しP-51C 1機を撃墜（第74戦闘飛行隊エヴァンス中尉機）、1機を喪失、1機が不時着大破。12月4日・5日、第25戦隊と第29教育飛行隊の一式戦はP-51と交戦するも戦果無く2機を撃墜された。12月18日、漢口をB-29を含む戦爆連合大編隊が波状攻撃し、漢口市街と飛行場在地機は爆撃で大きな被害を出した。迎撃には第25戦隊の一式戦13機と第85戦隊の四式戦12機が出撃し、同日午後の空戦で一式戦2機・四式戦3機を喪失し戦果はB-29 1機・P-51 4機・P-40 1機であったが撃墜戦果はこのうち3機のみであった。1945年1月3日・5日・6日そして14日にも漢口は連続空襲を受け同じく第25戦隊と第85戦隊がこれを迎撃、計6名の戦死者を出すも戦果は対空砲火と合わせP-51 8機・P-47 4機撃墜であった（P-47は中国航空戦ではこれが初陣である）。17日、来襲したP-47との空戦で第25戦隊・第85戦隊は両戦隊各1名が戦死するも、P-47 2機を撃墜。これが一式戦が参加した中国航空戦における最後の大規模空戦であった。一連の一号作戦で支那派遣軍は各アメリカ軍飛行場・要衝、および京漢鉄道を占領制圧し当初の目標を達成し一応の勝利を収めた。しかし後退したアメリカ軍は四川省・雲南省方面の中国奥地で戦力を増強し、本土空襲阻止のため行ったB-29基地となりうるアメリカ軍飛行場制圧も、後方の成都への後退やマリアナ方面の陥落により戦略的には不十分な結果を残し、「最後の敢闘」を本作戦で一式戦は見せたものの第5航空軍各飛行部隊は消耗した。第5航空軍司令部自体も1945年に入ると北京および南京へ後退、4月には本土決戦（決号作戦）のため朝鮮に移動し中国から離れている。同年2月には南支方面を担当する第13飛行師団が新たに編成され漢口に司令部を置いていたが、5月の第5航空軍朝鮮移動に伴い代わって同師団が中支方面も担当することとなり、以後南京に司令部を移し中国航空戦を戦い敗戦を迎えることとなる。ちなみに1945年2月、漢口にて第51戦闘航空群第26戦闘飛行隊のP-51C サミュエル・マクミラン・ジュニア少尉機が日本軍の対空砲火で被弾し不時着、良好な状態で日本軍に鹵獲されている（この機体は本来はオリバー・ストローブリッジ大尉の搭乗機であったが、当日はマクミラン少尉が搭乗し空戦に参加していた）。情報を受けた陸軍航空審査部は飛行実験部戦闘隊の准尉2名を派遣し同地にて修理、3月、光本悦二准尉が操縦し審査部のある多摩陸軍飛行場に空輸され改めて本格的な調査が行われた。また、かつて一式戦の第64戦隊でビルマ航空戦を戦った飛行実験部戦闘隊のテストパイロット黒江少佐がP-51Cに搭乗し、内地の各防空飛行部隊の陸軍戦闘機と模擬空戦を行っている。
1942年末、ソロモン諸島およびニューギニア方面はアメリカ軍の反抗により非常な苦戦を強いられていた。この方面はもとはラバウル航空隊等で知られる海軍航空部隊の専任の担当地域であったが、その苦戦により海軍上層部は陸軍航空部隊に対し陸軍戦闘隊の増援を嘆願、陸軍はこれを了承しラバウルへ第12飛行団（隷下2個飛行戦隊）の一式戦約100機派遣を決定、同年12月18日にはその第一陣として一式戦一型（キ43-I）57機を装備する第11戦隊がラバウルに進出した。第11戦隊は部隊マークに稲妻を描きノモンハン航空戦で活躍した「稲妻部隊」として知られる名門部隊であった。この第12飛行団（第1戦隊・第12戦隊）はビルマ航空戦を戦う第3航空軍から抽出されており（さらに第50戦隊・第64戦隊は下士官操縦者4名・一式戦4機を第12飛行団へ供出）、ソロモン、ニューギニア方面での海軍への協力のために陸軍の3航軍は一挙に100機近い戦闘機兵力を空中勤務者・地上勤務者共に引き抜かれ、以後の作戦展開に支障をきたしている現地の海軍航空部隊は零戦で苦戦していたB-17をさして「零戦の20mmで落ちないものが、（一式戦の）13mmで落ちるはずがない」と冷笑していたが、第十八号作戦（地上部隊増援輸送作戦）発動初日の1943年1月5日に第11戦隊第2中隊の一式戦は日本軍船団攻撃に飛来した第43・第90爆撃航空群のB-17 6機とB-24 6機と交戦、2機を喪失（1名生還・1名戦死）するも1機のB-17Fを確実に撃墜、さらに第11戦隊は第五八二海軍航空隊の零戦2機との協同戦果として1機のB-17Fを撃墜（第43爆撃航空群ジャック大尉機・リンドバーグ少佐機）。以降10日まで第11戦隊は船団掩護を行い6機ないし7機を撃墜（B-17E/F 2機ないし3機・B-24D 1機・B-25D 1機・P-38F 1機）、空戦で13機を喪失するも来襲する延べ320機余りもの連合軍機を次々と撃退し、喪失輸送船を1隻にとどめ十八号作戦は成功に終わった。1月9日、頭号戦隊たる第1戦隊もラバウルに進出。27日、補充機を受領し戦力回復した第11戦隊と、第1戦隊の一式戦69機は末期ガダルカナル島の戦いにおいて完全撤退中（ケ号作戦）の地上部隊を支援するため、飛行第45戦隊の九九双軽9機とともにガダルカナル島を攻撃。この空戦においてアメリカ陸軍および海兵隊戦闘機24機と交戦、一式戦は6機を喪失するも7機を撃墜した（戦果内訳はP-38 2機・P-40 2機・F4F 3機、第339戦闘飛行隊および第112海兵戦闘飛行隊）。なお、この2日前の25日に海軍の零戦72機が一式陸攻12機とともにガ島を攻撃しているが、5機を喪失し撃墜戦果無しと一方的な敗北を喫していた。31日、第11戦隊の一式戦は第112海兵戦闘飛行隊のF4F 8機と交戦し2機を喪失、2機を撃墜。2月1日の第一次撤退日は九九双軽を掩護しガ島飛行場に対し航空撃滅戦を実施。第二次撤退日の4日には撤退将兵を乗せた駆逐艦を第11戦隊第1中隊が上空掩護、来襲したF4F・P-40・SBD・TBFと交戦し一式戦2機を喪失するも3機を撃墜（F4F 1機・SBD 1機・TBF 1機）、駆逐艦の損害は1隻中破・1隻小破で済み艦隊を守り抜くことができた。アメリカ軍はさらにF4F 2機・P-40 1機（同士討ち）・SBD 1機を空戦で喪失しており、日本軍も途中で空戦に加わった海軍の零戦2機を喪失している。ケ号作戦成功に大きく貢献するなど活躍を見せた一式戦ではあったが、2月6日、九九双軽を援護しニューギニアのワウ飛行場攻撃時に一式戦4機・九九双軽3機を喪失し戦隊長杉浦勝次少佐が戦死（戦果はA-20 1機・C-47 1機撃墜、ワラウェイ1機地上破壊）。なお、3月2・3日にはラバウルからラエへ第15師団を送る第八十一号作戦が行われたが、海軍の零戦41機が直掩を行うも輸送船8隻・駆逐艦4隻が撃沈され大勢の将兵が戦死し物資も喪失したビスマルク海海戦（「ダンピール海峡の悲劇」）が起きている。同月には第1戦隊長沢田貢少佐もまたラエ上空で戦死した。
3月10日、第11戦隊はソロモン方面のラバウルから今後主戦場となる東部ニューギニアのウエワクに前進。第11戦隊は引き続き船団掩護に従事したが消耗し6月に転出、代わって中国航空戦を一型で戦った第24戦隊が二型に改変し進出した。5月19日に第24戦隊の一式戦3機がB-24 1機と交戦し、1機を喪失するもこれを撃墜し初戦果を挙げた（第400爆撃飛行隊アーモンド中尉機）。緒戦の南方作戦において第64戦隊とともに活躍した第59戦隊も同じくニューギニアに進出。6月20日にはオーストラリアのダーウィンに対し、第7飛行師団隷下の一式戦22機（第59戦隊）、一〇〇式重爆18機（飛行第61戦隊）、九九双軽9機（飛行第75戦隊）の3個飛行戦隊計49機（これとは別に敵情把握を受け持つ独立飛行第70中隊の一〇〇式司偵2機も出撃）が攻撃を行った（日本のオーストラリア空襲）。対するオーストラリア空軍はレーダーからの報告を受け、指揮官コールドウェル中佐以下3個飛行隊計46機のスピットファイアが迎撃。空戦において日本軍は一〇〇式重爆1機を喪失するも、スピットファイア2機を撃墜した。本戦でもまたしてもスピットファイアは格闘戦に終始しており、これには第59戦隊第1中隊長が訝しむほどであった。7月10日、西部ニューギニアのバボ飛行場にB-24D 3機が来襲。給油のため着陸していた第59戦隊の4機とビルマから派遣されていた第50戦隊の2機が迎撃、対進攻撃で2機を撃墜した（第380爆撃航空群マーケル大尉機・マクドゥーエル中尉機）。11日、第1戦隊23機・第24戦隊第2中隊6機の一式戦はナッソウ湾を攻撃、このうち後続で出撃した第24戦隊第2中隊が途中発見したB-25を攻撃するも、慢心により直掩のP-39と偶然付近に居たP-38編隊の奇襲を受け中隊長機以下4機を喪失、戦果はP-38 1機撃墜であった（第9戦闘飛行隊デイヴィス少尉機）。8月2日、第24戦隊の選抜一式戦8機は第18軍司令官安達二十三中将搭乗の九九軍偵を直掩。その帰途に戦爆連合と交戦し不利な低位戦にもB-17E 1機を撃墜（第65爆撃飛行隊）、一式戦8機は全機が帰還した。8月15日、第24戦隊・第59戦隊の一式戦36機と九九双軽7機はファブア飛行場を攻撃。途中悪天候により編隊が崩れ九九双軽が先行してしまったため迎撃のP-39により九九双軽5機を喪失した一方で、追いついた一式戦がP-39 4機（第40戦闘飛行隊・第41戦闘飛行隊）、またC-47 2機（第374兵員輸送飛行隊）を撃墜し一式戦は全機が帰還した。翌16日、日本軍は再度ファブアを攻撃し第24戦隊・第59戦隊の一式戦33機はP-38 12機・P-47 32機およびC-47 24機と交戦。3機を喪失しP-47D 1機を撃墜（第348戦闘航空群レイトン少尉機）、P-38 1機を撃破（第431戦闘飛行隊ブライテ少尉機、緊急着陸）。ニューギニア航空戦でP-47は本空戦が初実戦投入である。各飛行部隊は連合軍の猛攻のみならず補給の断絶により消耗（飛行第13戦隊は本来の装備である二式複戦を消耗し一式戦を使用、このほかニューギニア戦線には三式戦装備の飛行第68戦隊・飛行第78戦隊も展開）、栄養不足かつ過労状態の操縦者の多くは熱帯特有の疫病にも侵されていた。10月31日にはフィリピンにて戦力を回復した第59戦隊（一式戦23機）が合流、11月2日には新編の飛行第248戦隊（一式戦30機）も進出し一時的に戦力は強化されたが、質と量で勝る連合軍に対し苦戦を強いられていることは変わらず、南郷少佐が「P-38に翻弄され、もはや一式戦の時代にあらず」と日記にしたためているのは12月16日であった。
12月22日、ウエワク迎撃戦における各飛行部隊計7機喪失（戦果は対空砲火によりB-25 2機撃墜、空戦でP-38J 1機撃墜のみ）を受け、以降第6飛行師団は戦力温存のため全力邀撃を避けるようになる。12月26日早朝、ツルプにアメリカ海兵隊第1海兵師団が上陸。天候回復後の午後に各飛行部隊の各戦闘機32機・一〇〇式重爆6機が上陸船団を攻撃し、フレッチャー級駆逐艦「ブラウンソン」を撃沈、他数隻にかなりの被害を与え、空戦でP-38H 1機（第80戦闘飛行隊クラッグ少佐機）・P-47D 3機（第342戦闘飛行隊プラット中尉機、第36戦闘飛行隊ヘッカーマン中尉機・グリチリスト少尉機）を撃墜（このほか、アメリカ軍艦船対空砲火の同士討ちでB-25 2機を喪失）。一方で一〇〇式重爆全6機・戦闘機2機を喪失している。1944年1月2日、グンビ岬に上陸したアメリカ陸軍第32歩兵師団を九九双軽とともに第59戦隊・第248戦隊の一式戦（直掩）、第68戦隊・第78戦隊の三式戦（間掩）が攻撃。三式戦がP-40N 1機を撃墜するも、一式戦と九九双軽も空戦に巻き込まれ第248戦隊長村岡信一少佐が被撃墜戦死、また三式戦1機・九九双軽2機も喪失した。13日、飛行第63戦隊（一式戦装備）が進出。1月23日、一式戦・三式戦からなるウエワクの日本軍戦闘隊はアメリカ軍戦爆連合70機（うちB-24 35機）を迎撃、P-38 3機（第475戦闘飛行隊リヴノーフ中尉機・ダンフォース少尉機、第80戦闘飛行隊ガイドリー中尉機）・P-40N 1機（第7戦闘飛行隊クローリー中尉機）を撃墜、P-40N 2機を撃破するも7機を喪失。この空戦では「ニューギニアは南郷で保つ」と謳われたエース第59戦隊飛行隊長南郷少佐が戦死した。本空戦で撃墜されたP-40Nクローリー中尉機は南郷少佐の最後の戦果とされている。2月22日・28日、後退した第59戦隊に代わり第33戦隊・第77戦隊（一式戦装備）が進出。3月5日朝、第77戦隊の一式戦は1機を喪失するもF-5 2機を撃墜（P-38偵察機型、第6写真偵察航空群クーペンハーバー大尉機・クリスチャン少尉機）。同5日16時、同じく第77戦隊の一式戦がアメリカ陸軍のエース、第348戦闘航空群指揮官ニール・カービィ大佐のP-47Dを撃墜した（#連合軍エースとの空戦）。3月11日から18日にかけて、ウエワクに対しアメリカ軍は航空撃滅戦を実施し飛行部隊は消耗、3月半ば、ニューギニア方面を担当する第4航空軍はウエワク放棄を決定しホーランジアへ撤退開始。19日には撤退船団に対し戦爆連合が飛来し、第248戦隊の一式戦4機が交戦するも1機を喪失。さらにホーランジアへ移転予定の電波警戒機を搭載した輸送船が沈められたため、のちのホーランジア防空戦ではレーダーによる早期警戒を行えず30日に奇襲攻撃を許し約120機が在地損傷した。この一方で4月11日、ハンサ湾・ウエワクに来襲した戦爆連合を残った一式戦・三式戦稼働全機20機あまりで迎撃した際には、日本軍戦闘隊は損害喪失無くP-47 3機ないし4機を撃墜（第311戦闘飛行隊ロスマン少尉機・グラハム少尉機・バリントン機およびロウランド中尉機）。一方的な勝利となったこの空戦はニューギニア航空戦最後の栄光となった。4月25日、ホーランジア自体に連合軍が上陸（ホーランジアの戦い）、ニューギニア航空戦は事実上終了した。第4航空軍各飛行部隊は後退するが、後退手段の無くなった一部の飛行部隊の地上勤務者・空中勤務者の多くは地上戦に巻き込まれ戦死した。