在零式投入中国战场一年后，由于无法从战场上搞到一架零式甚至是残骸，中国空军仍无法一窥零式的奥秘。克莱尔.李.陈纳德，著名的飞虎将军，时作为美国陆军航空队退役军官来帮助重新组织士气低落的中国空军。他注意到中国战场上出的日本新式战斗机，并立即向国内报告，但这份报告没有引起当局的重视，盟军仍然对零式一无所知。
1940 年 3 月 11 日，A6M1第二架原型机在试飞时解体，机毁人亡。当时并未查清这次事故的真正原因，设计小组归咎于翼梁的问题。因此从第22 架生产中的 A6M2 开始，机翼结构中引入了起加强作用的后翼梁。为了适应日本海军航母升降甲板的尺寸；从第65 架 A6M2 起，采用折叠翼尖，折叠部分大约 51厘米长，由地勤手动向上折叠。采用这些改进措施的飞机被定型为零式21 型；从第 128 架 A6M2开始，副翼调整片配平机构连接到起落架收放装置上，由于有了机械助力，高速飞行操纵副翼杆力大大减小，改善了高速时的操纵品质；从第192 架 A6M2开始，安装改进的副翼调整片配平机构以修正副翼摆动的问题，零式就这样边改进边生产。为了提高产量，1941年 11 月日本海军命令中岛公司在其小泉工厂生产零式 21 型。这对中岛公司来说是个极大的耻笑，三年前正是他们认为零式是天方夜谭。
正在港口吊装的 A6M2 21
型，特征是折叠的翼尖
零战的顶峰
1941 年 12 月 7 日，日本偷袭珍珠港，太平洋战争爆发，这时的日本海军已经拥有超过400 架精锐的零式，大多数是 21 型。在偷袭珍珠港作战中，零式从航母起飞，为第一波攻击的B5N2 97 式鱼雷机和 D3A1 99 式俯冲轰炸机护航，掌握制空权后，零式也扫射机场跑道，防空火力点和其他一切目标。零式在空战中击落了4架美国战斗机，还给珍珠港的地面设施造成了极大的破坏。此役中日本损失了8 架 A6M2，大多数是被对空火力击落的。