九六式艦上戦闘機
この過程で、海陸の作戦における広域制空権確保の重要性を目の当たりにした一方で、九六式艦戦の行動半径400kmを超える重慶他の中国奥地への長距離爆撃行を邀撃戦闘機による被害を甘受して強行せざるを得ない局面となった結果、後継機の零式艦上戦闘機に更なる航続距離を求めることとなった。
1937年12月9日、樫村寛一三空曹が操縦する九六式艦上戦闘機は、上海から南昌に出撃した際、中国軍のカーチス・ホークIIIと空中衝突し、左翼の左側約1/3以上を失いながらもバランスをとり、無事に帰還した。帰還の様子は撮影され、マスコミにより「片翼帰還」として大きく報道された。この奇跡の機体は、原宿の東郷神社の隣にあった海軍館で展示された。曽根嘉年技師の残した資料によると、この機体は「三菱第三十三号機」で、切断面はまるで名刀でスパリと切り取られたようであり、切断面があと30ミリ(3センチ)ほど内側だったら補助翼の中央ヒンジが破壊され、横の制御が不可能になるところだった。
太平洋戦争序盤1942年(昭和17年)までは、後継機である零戦の配備が間に合わず、鳳翔・龍驤・祥鳳・瑞鳳・大鷹の各空母、および内南洋や後方の基地航空隊に配備されていた。1942年末には概ね第一線から退き、以降は練習機として終戦まで運用された。
日本海軍では国産機だけでなく外国からの輸入も検討しており、単葉の高速機であるHe 112を少数購入して中国戦線へ送る予定であった。しかし速度性能は非常に優れているが上昇力や運動性は九六戦に劣ると判断し導入を見送っている。
1943年から航空機への着水による影響を調査するため、ニセコアンヌプリに設けられたニセコ観測所において、中谷宇吉郎らの研究チームが九六戦を使用した着氷実験を1945年まで継続していた。
九六式の操縦席はキャノピーのない開放式であるため、転覆した場合など、操縦席が潰れて、パイロットが重傷を負う場合があった。これを防ぐため、着陸時に油圧フラップを操作すると、連動して操縦席後方から保護棒が突き出すようになっていた。このため万一転覆しても、保護棒が先に接地することで空間が確保され、パイロットの安全が保たれた。
広大な中国戦線での運用を考慮し、九六式艦上戦闘機では航続距離の短さを補うための増槽を九〇式艦上戦闘機、九五式艦上戦闘機に次いで使用した。形状は前期型では胴体に密着するスリッパ型、後期型では零戦同様の涙滴型の落下式増槽であった。
武装は、当時の戦闘機として一般的な7.7 mm機銃 2丁を計器板上部に装備した。照準器はスコープ式である。 他にはフランス製のドボワチン D.510を改装したAXD1を元に、2機の九六式二号一型の発動機をイスパノ・スイザ12Xcrs(水冷12気筒)に換装しイスパノ・スイザ HS.404 20mmモーターカノンを搭載して九六式三号艦戦(A5M3a)と命名し試験を行ったが、第一線からの調達要望に抗し切れず発動機を寿二型改三A(寿三型)に再換装し前線に送り出された。また、2機の九六式一号の主翼にエリコンFF 20 mm 機関砲を搭載したが、砲自体の問題と発射時のヨーイングの問題から試験を中止している。