九九式二〇ミリ機銃
全長: 133.1 cm
重量: 23 kg
砲口初速: 600 m/s
発射速度: 約520発/分
給弾方式: 60発ドラム弾倉
主な搭載機: 零戦一一型~二一型、試製雷電
もっとも、相対した日本海軍から見ると、大型爆撃機を一撃で撃墜するために導入した九九式一号二〇粍機銃をもってしてもB-17の撃墜が容易ではないことは大問題であり、鹵獲したB-17の防弾板や防弾タンクへの実射試験から一号銃では至近距離から撃たなければこれらに致命傷を与えられないことが明らかになると、中央・現地部隊とも一号銃の破壊力不足を深刻な問題として捉えている。対策としては二号銃の配備が最適と考えられたが、一号銃の生産ラインを急に変更することは不可能だった。そのため取り敢えず遅動信管を開発・配備して、炸裂弾が防弾板や防弾タンクの表層で炸裂して、内部に被害を与えられない現状の改善が図られた。その後、生産体制の改変により二号銃が配備され、問題の根本解決が図られている。二号銃を装備する日本海軍戦闘機は、B-17よりも強力な防弾装備を持つB-29であっても脅威であった。しかし、日本海軍側から見ればB-29は二号銃をもってしても撃墜困難な難敵であり、これに対抗するため、より厚くなった防弾タンクを撃ち抜いた後に炸裂弾が炸裂する新たな遅動信管を開発している。
小福田晧文は、命中した時の破壊力には威力があるが、7.7ミリや13ミリにくらべ、初速が低いため、弾道が低下し、命中率が悪く、これをカバーするには高い技量が必要な近接射撃が必要になるため、未熟者は遠距離射撃になり、命中せず威力を発揮しないと語っている。坂井三郎は、零戦が20mm機関砲と7.7mm機銃を共に搭載した事を批判し、搭載機関砲の種類を統一すべきだったと主張している。7.7mm機銃に比べて高価な弾薬を節約するため空中射撃訓練では20mm機関砲の射撃は一度も行われなかったとする証言もある。
1942年(昭和17年)秋、横須賀航空隊の花本清澄少佐を中心とし、20mm機銃の命中率を高める為の最適取付角度を決める実験を行った。1ヵ月半に及ぶ実験の結果、左右の取付角度の調整及び弾道が低下する分を補うように機銃を若干上向きに装備する事で改善し、戦地にてこの「筒軸線整合」を簡単に調整できる装置も考案して改修を行った。命中率の問題について、戦後、堀越二郎は、「零戦のフレームのあまりの脆弱さ(極端な軽量構造が祟り、空中戦による負荷や射撃の反動によって取り付け部である主翼が撓み、命中精度が落ちる)が低命中率の原因ではないか」と推測している。
1943年(昭和18年)春からはエリコンFFLをライセンス生産した九九式二号二〇粍機銃の生産が始まり、零戦二二甲型~五二型や、月光一一型に搭載された。初速の増大によって破壊力・弾道特性とも改善された二号銃は現地部隊でも好評で、二号銃搭載零戦の早期補給を要望する中央への電文が残されている。
1943年(昭和18年)秋にはベルト給弾化された九九式二号二〇粍機銃四型の生産が始まり、零戦五二甲型以降の他、雷電二一型~三三甲型、紫電一一乙型~二一型等に搭載された。1944年(昭和19年)秋から翌1945年(昭和20年)冬にかけて九九式二号二〇粍機銃四型の発射速度増大型及び九九式二号二〇粍機銃五型が開発され、前者は何とか量産に漕ぎ着けて一部が実戦配備されたものの、後者は量産準備中に終戦を迎えている。