A6M3 零式舰上战斗机 22/22 甲型
美军在瓜达卡纳尔登陆后，A6M3 被迫从 1,037 公里外的基地飞来攻击登陆部队。在这次作战中，A6M3 暴露了航程不足的缺点。因为 A6M3 的荣 21 型发动机比荣 12 型油耗高，加上机身油箱容积的减小使 A6M3 航程短于 A6M2，从 2,222 公里减少到 1,800 公里。为了增加航程，三菱在每侧机翼机炮外侧布置了 45 升的机翼油箱，恢复折叠翼尖，增加翼展。这种增程 A6M3 海军定型为零式舰上战斗机 22 型，可能是它更类似于 A6M2 21 型。22 型在换装新的长身管 20 毫米 99 式 2 号 3 型机炮后，称为 A6M3 22 甲型。折叠式圆翼尖的 A6M3 22 型成为 A6M3 家族中最主要的成员，三菱共生产了 560 架。
腊包尔的 A6M3 22 甲型，注意机翼上的长身管 20 毫米机炮
A6M4
A6M4 是一种夭折的型号，1942 末至 1943 年初，零战遇到了美军强悍的新式战斗机。这两种战斗机都有着卓越的高空性能，强大的火力和高速俯冲能力，其中 F4U 装有 2,000 马力的星型活塞发动机，几乎是零式的两倍，P-38 也装有两台 1,000 马力的直列水冷发动机，美军的“打了就跑”战术在新型战机身上得到了完美的体现。零式俯冲速度低，美军战斗机常常能在俯冲攻击中得手，即使一击未中也能够通过俯冲安全逃离。随着这两种新型战机加入空战，零式逐渐失去了制空权。由于新一代的 A7M 烈风迟迟不能投产，日本海军只能寄希望于继续改进零式。位于横须贺的第1海军海军航空兵器工场在两架 A6M2 上安装了一种带有涡轮增压装置的荣式发动机，新发动机功率有所增加，但是这种试验性质涡轮增压装置的麻烦接连不断，并没有投产。
A6M5 零式舰上战斗机 52 型
1943 初，日本面对的战争形势越来越恶劣。美军投入了新式战机：陆军的洛克希德 P-38 闪电和海军钱斯沃特 F4U 海盗，洛克希德 P-38 闪电在 1942 年 8 月的阿留申战场和 1942 秋的新几内亚战场首次参战的战斗。P-38 有着卓越的高空性能，重火力和高俯冲速度。美国海军的 F4U 海盗在 1943 年 2 月 13 日奇袭布加因维尔岛的行动中首次参战，与战争中后期的美国战机一样，F4U 海盗高空性能出色、结构坚固、重火力，特别注重对飞行员和油箱的保护。
A6M5 为每个气缸单独配置排气管
随着这两种新型战机加入空战，零战逐渐失去了制空权。早期零式的弱点之一就是俯冲速度低，盟军低速机动性差的战斗机常常能在俯冲攻击中得手，也能够通过俯冲安全逃离，因为零战无法跟上。这迫使日本海军在新一代战机研制成功之前，改进现有零式。
A6M5 机翼设计基于 A6M3 32 型，但是翼尖为圆形。图中的 A6M5 在机腹下挂载 330 升副油箱
在 A6M4 失败后，三菱开始了 A6M5 的研制，为了追求更好的战斗性能（特别是俯冲速度），第 904 架（A6M3）零式被用来改装成 A6M5 原型机。这项工程由原崛越二郎零式研制小组成员高桥氏负责，崛越这时正全心投入 J2M 雷电的研制。A6M5 改进很大，主翼重新设计，翼面蒙皮更结实，翼尖仍为圆形，但不可以折叠。机翼与 A6M3 32 型类似，翼展 11 米，翼面积 21.3 平方米。A6M5 保留 A6M3 的武器、机翼油箱和发动机，另外为每个气缸配备了单独的排气管，增加了一些额外的动力。1943 年 8 月 A6M5 首飞，尽管 A6M5 比 A6M3 32 型重了 200 千克，但速度有所提高：A6M5 在 6,000 米高度最大平飞速度达到了 565 公里/小时，更重要的是最大俯冲速度达到了 660 公里/小时。
1943 秋 A6M5 进入一线单位服役，海军型号零式舰上战斗机 52 型。日本人满以为凭借 A6M5 能夺回性能优势，但是又碰上美国海军的格普曼 F6F 恶妇式战斗机，F6F 是第一种在机动性上能与零式匹敌的美国战斗机，另外还继承了速度快、火力猛、装甲厚的优势。1944 年 6 月，A6M5 在马里亚纳战场首次参战，6 月 19 日，108 架 A6M5 为攻击斯普鲁恩斯的第 58 特遣舰队的鱼雷机和俯冲轰炸机编队护航，但是在 F6F 恶妇的阻击和美舰队防空火力的打击下，日本损失了近 300 架飞机，日本海军大伤元气，此后再无力组织有效的空中攻势。这就是著名的“马里亚纳猎火鸡”之战。
尽管性能比不上格普曼 F6F 恶妇和钱斯沃特 F4U 海盗，A6M5 仍是零战家族中产量最大的，因为日本航空工业无法提供足够数量的高性能战斗机来替代零式，A6M5 持续生产到太平洋战争结束，三菱共生产了 747 架 A6M5；1943~1944 年间，中岛也生产了数量不详的 A6M5 ；日立公司也计划生产 A6M5，但在战争结束前还未能投产。
A6M5 有许多非正式的改型，为了对付 B-29 轰炸机，一些前线野战机场的 A6M5 飞行员座舱后安装了斜射炮——一门 30 度角安装的 20 毫米机炮，这样 A6M5 就可以水平飞行攻击 B-29 柔软的机腹了。还有一部分 A6M5 拆除机腹下的可抛式副油箱，换成 250 公斤炸弹，执行俯冲轰炸任务，不过炸弹挂架老出问题，炸弹经常无法投掷，很多 A6M5 只能携弹返回基地，有些燃料耗尽后只能迫降到海中。炸弹挂架对于用来神风特攻的 A6M5 来说不成问题，1944 年 10 月 26 日，基地位于菲律宾的 201 航空队首次对美军舰艇发动自杀攻击，领队关幸男。自杀机一开始是改装过的老旧 A6M2，以后使用改装的 A6M5，俯冲速度更快，威力更大。
这幅图片据信是菲律宾的 201 航空队首次神风特攻的照片，近景处的 02-888 就是关幸男的座机
这些自杀攻击战绩显著，于是日本成立了更多神风特攻单位，主要装备是改装过的零式，机腹挂载一枚 250 公斤的炸弹。美军损失的舰艇有半数是被自杀机撞沉的，但是疯狂的神风特攻并未能阻挡美军向日本本土挺进的脚步。