1937 年 10 月，日本海军参考了在中国战场的实战报告后，发布了规格书的修订版：要求最大时速超过500 公里，航程 3,000 公里，能在 3 分 30 秒内爬升至 3,000 米高空，机动性不低于96 式，武器要求装有 20 毫米机炮 2 门、7.7 毫米机枪 2 挺；另外必须装备一套完整的无线电设备，其中包括一具无线电测向仪。
中岛公司认为这些条件太苛刻，在 1938 年 1 月 17日退出竞争，三菱独自继续 12试的试制。崛越二郎的小组提出的方案采用了许多新技术：如悬臂式下单翼、可收放起落架、座舱盖为气泡式，使用大块透明玻璃，飞行员前后视野良好，甚至还为飞行员装备了电热飞行服。
原型机使用三菱瑞星 13 型双重 14 缸空冷星形活塞发动机，驱动一具两叶变距螺旋桨，瑞星13 型最大起飞功率 780 马力，3,600 米高度时最大功率 875马力，这种发动机后来在日本陆军/海军统一编号体系中的型号是Ha.31/13。三菱瑞星 13 型被选中的原因是由于其重量轻直径小，尽管崛越二郎更加青睐功率更大的三菱金星46 型发动机。设计小组非常注重减轻重量，为此采用了住友金属公司开发的特殊轻质铝合金，选用小直径的结构铆钉，并尽量简化铆接点；在构件上钻出大量小孔减重，甚至取消了飞行员的防护钢板，不用自封闭式油箱，这些都成为日后的致命缺陷。
一架隶属训练航空队的 A6M1
准备起飞，全机涂成浅灰色
1939 年 3 月 16 日，三菱名古屋工厂完成了首架 12 试舰战。原型机机鼻上层结构中安装了两挺7.7 毫米 97 式机枪，机翼内安装了两门 20 毫米 99 式机炮。新机被运送到位于各务原的陆军训练机场进行飞行测试。1939年 4 月 1 日，原型机由试飞员岛胜藏驾驶首飞成功，试飞结果非常成功，仅仅在机轮刹车，滑油系统方面发现小问题；另外飞行时有轻微振动，在更换了三叶恒速螺旋桨后振动消失。1939年 9 月 14 日，日本海军认可了原型机，正式编号 A6M1，同时第二架原型机也完成了，十月通过了公司内部试飞。
