零式観測機
三菱の提案した機体は速度や運動性能に関して言えば要求通りだったものの、飛行中、不意に自転する傾向があることが指摘された。この解決のために三菱では、主翼の形状を大幅に改め、直線整形のものにした他、垂直尾翼も20種類以上の形状を試用し、増面積するなどの必死の改修を行った。一方、川西は三菱の複葉に対抗するべく単葉機で臨んだが、初期試験段階で落第した。
当初のエンジンは中島飛行機(現・SUBARU)製「光」(空冷星型9気筒、出力約700 hp)であったが、この改修中に三菱製の新型エンジン「瑞星」(空冷二重星型14気筒・出力約800 hp)が完成したため2号機ではこれに換装したところ、速度面などが大幅に改善し、最高速度370 km/h、5,000 mまでの上昇力9分と、高性能を発揮した。だが、競争相手の愛知機も格闘戦に優れた優秀機で慎重な比較検討がなされたが、本機の方が格闘性能が優秀であることと、愛知機の主翼外板が合板製であり温度・湿度に対する脆弱さがある点が問題となり、1940年(昭和15年)12月、「零式一号観測機一型」として制式採用された。
駆逐艦によるガダルカナル島への強行輸送作戦「鼠輸送」従事中、たびたび零観の援護を受けた田中頼三第二水雷戦隊司令官は、零観隊の掩護に感謝の言葉を述べている。
速度性能と武装で決定的に不利となった1945年(昭和20年)2月16日ですら、アメリカ本土空襲で有名な藤田信雄少尉が操縦する鹿島空の零観が本土に来襲したF6F ヘルキャットを迎撃し、格闘性能を活かして1機を未確認撃墜(藤田は機首7.7ミリ機銃の射撃によるエンジン発火状態での撃破確認であるが、近隣の香取空がF6Fの地上墜落を確認している)するという戦果を挙げた(ただし、藤田と共に同時に迎撃した5機の零観のうち2機は出撃直後に機銃故障で避退、残りの3機のうち2機は撃墜され、2機の二式水戦は1機が撃墜されている)。
1943年(昭和18年)以降は船団護衛や対潜哨戒が主務となり、第一線からは退いたが終戦まで活動を続け、一部の機体は特攻機として沖縄戦で使用された。生産は三菱の他佐世保工廠でも行われ、総数は約708機(三菱528機(試作機4機含む)、佐世保約180機)である。生産数については1,118機、1,005機などの説もある。