thumb|A6M2 „Zero” Model 21 na pokładzie lotniskowca Shōkaku, 26 października 1942, podczas bitwy koło wysp Santa Cruz A6M2 (model 21) – był to podstawowy model, który trafił do jednostek liniowych marynarki i na pokłady lotniskowców. Różnica w stosunku do modelu 11 polegała na zastosowaniu ręcznie składanych półmetrowych końcówek skrzydeł w celu ułatwienia hangarowania. Od 128 egzemplarza sprzężono klapkę wyważającą lotek z mechanizmem chowania podwozia, a od 192 zmieniono tę klapkę na nową aby wyeliminować problem z lotkami. Zakłady Mitsubishi wyprodukowały 740 egzemplarzy tej wersji, a zakłady Nakajima 800.
thumb|A6M3 Model 32 A6M3 (model 32) – prace nad tą wersją rozpoczęto w połowie 1941. W celu powiększenia prędkości zmniejszono rozpiętość z 12 do 11 metrów, stosując prostokątne końcówki skrzydeł i zastosowano mocniejszy silnik Nakajima Sakae 21 o mocy 1130 KM, wyposażony w dwubiegową sprężarkę. W efekcie uzyskano wzrost prędkości do 545 km/h, jednak odbyło się to kosztem znacznego okrojenia zasięgu do 2000 km i promienia działania bojowego do 450 km.