自日本空中军事力量诞生之日起，长期以来只能依赖从欧美各国进口、引进许可证进行仿制、或委托外国专家设计各型军用作战飞机的日本陆海军在进入上世纪30年代以后好像终于意识到了建立一支独立自主的航空作战力量的重要性，其征兆很快从新一代海军作战飞机的研制中体现了出来。昭和6年（1931年），以山本五十六（时任少将、后来的联合舰队的司令长官）就任海军航空本部技术部长为契机，继续无止境地依赖外国技术必将导致国防根基动摇的观点慢慢的变成为了海军高层的共识。
特别是对于因先前华盛顿、伦敦限制海军军备条约的签署导致主力舰总吨位被严格限制，保有量仅为英美六成的日本海军而言，这一战力上的空缺不管情愿与否都只能依赖航空兵力的发展来进行弥补，而构成航空兵力核心的飞机如果还要继续依赖不知何时就会对日本实施技术封锁的外国来提供的话，是无论如何也不能使人感到放心的。
于是，以时任海军航空本部长安东昌乔（时任中将）、航空本部技术部长山本五十六、航空本部总务部长前原谦治（时任少将）三人为核心牵头制定了“航空技术自立计划”力图研制全部由本国技术人员设计制造的新型军用飞机。该计划自昭和7年（1932年）起开始实施，计划在未来3年之内，每年各机种以招标的形式研制新机，以求达到逐次实现国产化以及自主研制的目的。不再拘泥于以往那种只顾眼前的研发方式，换而言之，就是要与过去那种“当一天和尚撞一天钟”式的海军行政方式彻底诀别，是海军最初的具有前瞻性的长期航空发展计划。
昭和7年（1932年）2月22日，正值第一次淞沪会战处于最高潮之时，在中国大陆苏州的上空，从日本海军航空母舰“加贺”号上起飞的由3架3式舰上战斗机和3架13式舰上攻击机所组成的6机编队与美国平民飞行员罗伯特·肖特驾驶的波音P-12战斗机之间爆发了一场突如其来的空战，尽管在空战中日本飞机具有压倒性的数量优势，然而面对P-12战斗机的高超性能依然付出了搭乘13式舰攻的编队指挥官战死、后座机枪手重伤的惨重代价，这一事件某一些程度上也加快了该计划的实施速度。
同年4月，参加竞标的各大厂商代表（三菱、中岛、川西、爱知时计电机）以及海军方面的技术人员被召集到了刚刚才成立不久的海军航空厂（后来的海军航空技术厂），在这里，总务部长前原谦治亲自向他们宣读了依据航空技术自立计划的精神拟定的首个具体的研制计划“7试计划”（昭和第7年度试作计划）。该计划研制对象包括舰上战斗机，舰上攻击机，双发舰上攻击机，3座水上侦察机，大型陆地攻击机合计5个机种，其中舰上战斗机项目的研制被军方指定交由三菱和中岛两家负责，双方立即展开了激烈的竞争。
而在三菱设计课派出参加此次会议的代表之中就包括了当时资历尚浅（入社仅5年），年仅28岁的堀越二郎。当时三菱航空机株式会社由于在之前的海军主力机种选型竞争中接连遭到失败，生产规模不断缩小，企业的经营已经处于一种相当困顿的状态，为此设计课长服部让次等人决定赌上一把，在研制新机时大胆启用年轻人，力求摆脱目前的困境。为此破格提拔了当时绝对没独立研制经验的堀越二郎担任7试舰上战斗机的主要设计负责人。当然了，能做出这样的决定也是建立在发现堀越本身就具有相当优秀的能力，这一基础之上……。
虽然在当时即使是在欧美等一些航空技术较为先进的国家，双翼+布制蒙皮依然是飞机设计界的主流形式，然而依照堀越的观点，要摆脱模仿的桎梏建立独立自主的航空工业新飞机一定要采用下单翼，并且要采用全金属构造—由于海军方面对7试舰战提出的主要设计指标极为严苛，要求新机最大平飞速度要达到180至200节（335~370千米/小时/高度3000米）、爬升至3000米高度要在4分钟以内，各项性能数据都大大超越了当时海军现役的中岛90式舰上战斗机，如果不导入足够多的新技术，是不可能实现的。
发动机方面，该机预定搭载三菱发动机部门正在试制中的7试液冷600马力发动机，机身设计方面采用了当时颇为时髦的全金属半硬壳构造。主翼为纯粹的下单翼布局没有一点张线和支柱，为了获得良好的起降性能机翼平面形状为椭圆型以扩大机翼面积，内部构造采用双桁梁设计，两根主桁之间用Z字型辅助梁连接确保强度。不过，由于当时日本的工业加工水平有限，无法采用挤压成型的工艺制造主桁的上下两个端面，因此桁梁只得采用传统方式用数块薄铝板和铆钉进行拼接，导致该机机翼过厚（翼根附近翼厚比达20%），完全违背了设计师的本意。另外打造机翼金属蒙皮所需的，在不足1毫米厚的铝合金薄板上进行铆接的工艺，日本当时也不具备，无奈之下该机的机翼部分采用的还是落后的布质蒙皮。
再加之，当初预定搭载的7试液冷活塞发动机的研制工作最终宣告失败，7试舰战的发动机不得不更换为直径较大专门为陆地攻击机设计的三菱A4（710马力）气冷发动机，整个研制过程不断遭遇挫折。
尽管如此，在全体工作人员的共同努力之下，7试舰战试作1号样机的试制工作还是于昭和8年（1933年）2月如期完成，并且在当年3月初成功进行了首次试飞。从着手设计到首飞仅仅花费了不足11个月的时间，这样的研制速度对于一名年仅28岁初出茅庐的设计师而言，是令人感到惊讶的。
可是，面对试制完成的 1号样机，堀越技师的心情却很复杂。与首飞成功的喜悦之情截然相反，尽管采用了较为先进的设计理念，然而该机为提升飞行员的空中视野有意提高了驾驶舱的位置，导致机身背部向上高高拱起，这样的驼背加上肥厚的机翼以及飞行阻力极大的固定式起落架，再配以遍布机身上下随处可见的各种外露的金属部件，连设计师堀越二郎本人都感觉自己的作品就像是一只“笨重的鸭子”。
尽管如此，依仗发动机强大的功率以及先进的下单翼气动布局，堀越等人依然认为该机有望达到海军要求的设计指标，然而在三菱组织的社内测试中7试舰战的飞行速度无论如何也达不到180节的设计的基本要求，爬升至3000米所需的时间也大大超过了4分钟的标准。
在此期间，7试舰战1号样机在7月进行的俯冲测试中由于垂直安定面强度不足出现了尾翼破损现象最后导致飞机失控坠毁。同年秋天接收的2号样机亦在海军方面组织的测试中失事，至此三菱版本7试舰战的研制工作以无果而告终。
另一方面，竞争对手中岛拿出的样机是在陆军现役的91式战斗机的基础上改造而来的机体，采用撑杆式上单翼，虽然技术上相对来说还是比较成熟，但同样由于性能原因最终未能获得海军的青睐装备部队。
结果，7试计划所包含的5款作战飞机中仅有川西的双翼3座水上侦察机（94式水侦）获准装备部队。致力于军民一体合作的“航空技术自立计划”第一阶段以失败而告终。不过，这次失败对于在新机型的设计中大胆尝试了许多新技术的堀越二郎等三菱的技术人员而言，同样也是难得的积累经验的过程，并且从中汲取了很多宝贵的经验教训，而这对接下来9试单战飞跃式的进步起到了相当关键的推动作用。
虽然7试舰战的研制遭遇挫折，但为期3年的海军“航空技术自立计划”依然按照原定的计划继续稳步向前发展。依照昭和8年（1933年）开始实施的“8试计划”发展纲要研制的爱知94式舰上爆击机，中岛95式水上侦察机，三菱8试特殊侦察机（后发展为96式陆上攻击机）相继取得重大进展，计划终于取得了阶段性的成功。
于是到了3年计划的最后一年，昭和9年2月，根据“9试计划”发展纲要海军再次向三菱、中岛两家下达了研制新型舰上战斗机的命令。只不过，这次海军吸取了7试计划失败的教训，性能指标方面不再强求新机拥有良好的起降性能和视野，同时项目的名称也被简化为了“9试单座战斗机”，海军的这一举措被外界视为是某种观念上的进步。盲目贪大求全什么都想要，反而最后什么都得不到。不如现实一点先研制一款纯粹的高性能战斗机，研制成功之后再按照舰上战斗机的要求加以改进。据说这也是时任海军航空本部技术部长的山本五十六亲自过问下做出的改变。
和7试舰战相比，海军对9试单战提出的性能指标—最大时速190节/高度3000米，爬升至5000米高度所需时间要在6分30秒以内—并不算高，尺寸要求也有所缓和，宽11米、长8米以内即可。
而三菱方面除了决定继续由堀越二郎担任9试单战的主要设计负责人之外，在此基础之上又进一步充实了技术团队的人员力量，以全力以赴的姿态开始了新机型的研制工作。经过冷静的分析堀越二郎认为之前的失败根本原因主要有3个方面，即发动机的选择不够果断，机体设计/制造工艺不成熟导致的空气阻力问题，以及减重不够彻底，于是9试单战在研制时对以上几点分别进行了重点的攻关。
其中最为关键的发动机选型问题，在明知会对企业的经营造成不利影响的情况下，依然选择了竞争对手生产的中岛“寿”5型9气缸星型气冷活塞发动机（600马力）。由于自家生产的“A4”发动机故障较多，没办法发挥出纸面上的性能，如果新机继续拘泥于面子搭载A4发动机的线试舰战失败的覆辙，基于以上的理由堀越二郎做出了更换发动机的决定，对此三菱方面也表示支持。
机体方面，这回终于用上了全金属制的下单翼，除此之外，针对铆钉头部外露于蒙皮表面占据导致空气阻力增大的问题，堀越二郎想出了使用沉头铆钉的方法加以解决，获得了极佳的效果。与此同时，成功解决了沉头铆接工艺难题的三菱机体工作第一课也获得了很高的评价。
由于搭载了直径较小的“寿”5型发动机，9试单战的机身相比臃肿的7试舰战纤细了不少，随着期盼已久的挤压成型工艺的导入，采用双桁梁箱式结构的椭圆形主翼厚度也得以大幅度的降低。为了配合固定式起落架的长度，以及尽可能地提升飞行员的视野等考量，试作1号样机的主翼中端采用了倒鸥型设计，不过，后来由于担心在大迎角状态下倒鸥型机翼会对飞行的安定性带来负面影响，从2号样机开始主翼又重新恢复成为了平直翼设计。
虽然当时可收放式起落架已经慢慢的变成为了欧美国家新型单翼战斗机的标准配置，但堀越二郎认为，9试单战这样小型机即使采用了可收放式起落架也只能获得空气阻力减少10%、速度性能提高3%的利益，性能提升并不明显，相反还会拖慢研制工作的进度，增加结构重量，不如采用简洁的单柱悬臂式固定起落架，只需在此基础之上添加整流罩便足以抵消空气阻力增加带来的不利影响，于是最终选择了固定式起落架。
在机体的减重方面也下了很大力气，无论多么细小的零部件也不允许留有一分一毫的多余重量，削肉剔骨直至达到设计强度的上限。
得益于研制7试舰战时留下的宝贵经验，尽管运用了大量崭新的技术和构造，9式单战的研制工作进展仍然十分顺利，昭和10年（1935年）1月，从设计开始仅用了10个月时间—与7试舰战的研制速度大致相同—试作1号样机即告试制完成。
在当年2月开始的试飞测试中，1号样机飞出了最高时速243.5节（451千米/小时），爬升至5000米高度仅耗时5分54秒的惊人数据，大大超越了当初军方制定的设计指标，显示出了极为出众的优秀性能。
面对这一连设计者本人都感到有些出乎意料的数据，也难怪海军方面会一度认为是测试仪表出了问题，以至于需要派出海军自己的试飞员亲自试飞确认才能相信。面对这样一架期盼已久且性能超越欧美的纯国产战斗机，航空本部的惊喜之情同样溢于言表，以至于航空技术厂厂长前原中将亲自前往各务原参加了本机的首次试飞。
当时，现役的中岛95式舰战的最大时速为190节（350千米/小时），尚在研制之中的陆军Ki10（后来的95式战斗机）最大时速为205节（380千米/小时），英国格洛斯特·角斗士的最大时速为405千米/小时，美国波音P-26战斗机的最大时速为380千米/小时，参考以上数据来进行对比，便可了解9试单战的速度到底快到了什么程度。事实上该机已经突破了航空技术自立计划所制定的“追赶欧美一流”的范畴，一举实现了性能上的超越。
另一方面，竞争对手中岛拿出的9试单战样机是在为陆军研制的Ki11张线式半悬臂单翼战斗基础上改进而来的海军版本，最大时速220节（407千米/小时）。由于在设计上存在着显而易见的差距，该机从一开始便从竞争中败下阵来。
三菱9试单座战机所具有的高超性能，使其日后装备部队几乎成为了板上钉钉的事情，然而作为舰上战斗机正式服役之前，该机任旧存在很多亟待解决的技术问题，其中最为关键一点仍然是发动机问题。
试作1号样机搭载的“寿”5型发动机尽管性能出众，但减速齿轮等部件存在很明显的设计缺陷，无法应付实战条件下恶劣的使用环境。于是从2号样机开始换装了同系列采用直联螺旋桨的“寿”3型（715马力）发动机，该型发动机虽然拥有更高的功率但与此同时重量也增长不少，因此2号样机的最大平飞速度虽然依旧出众达到了1号样机同样的水准，但爬升率反而有所降低。
为此，9试单战试作3号~6号样机又先后换装了中岛“光”1型星型气冷9气缸（800马力）以及中岛“寿”2型改1发动机（630马力）来测试，整个试飞工作呈现出一种仿佛不是在测试飞机而是在“测试发动机的空中性能”的状态，昭和10年（1935年）内开始正式装备部队的设想彻底破灭。
由于设计阶段的过度减重，试作1号样机在着陆时很容易出现“弹跳”（飞机降落接近地面时机体上下飘摆忽高忽低难以着陆）现象，除此之外该机在大迎角状态下时很容易出现俯仰方向上的震动。对于前一点，决定追加早在数年之前三菱的野田技师已开始着手研发的开裂式襟翼，对于后一点决定取消主翼中段的倒鸥型设计恢复为平直翼，最终上述技术问题都得到了圆满的解决。
到了昭和11年（1936年），9试单战的发动机选型问题依然悬而未决，三菱方面的工作人员逐渐开始焦急起来。此时国内外的诸形势越发窘迫，特别是在中国大陆，中日两军的对峙已确定进入了一触即发的状态。
到了这个地步，此前一直对9试单战的正式列装一事不甚情愿的海军终于下定决心于同年11月正式将该机以96式1号舰上战斗机（A5M1）的名义投入量产。由于更换了性能相对较差的“寿”2型改1发动机（630马力），量产机和试作1号样机相比性能出现了大幅度的降低（最大平飞速度降至406千米/小时，爬升至5000米高度耗时8分30秒），但这也是没有很好的方法的事情。另外值得一提的是96式1号舰战装备了当时尚属世界首创的可抛弃式副油箱。
换装了功率略有提升的“寿”3型发动机（690马力）的改进型号，由于更换了发动机因此发动机整流罩的外形略有变化，机首长度也略有缩短，全长由1号的7.71米缩短至7.545米。螺旋桨由1号的2叶金属桨（直径2.69米）变更为3叶（直径2.98米）。位于发动机整流罩后部向上伸出，如同“螃蟹眼睛”状的汽化器进气口是2号1型机的主要识别点。
机体重新设计采用全封闭式座舱的改进型号，加装全套无线电装备（之前各型搭载的是仅具有收信功能的简易装置）追加无线电天线支柱，追加炸弹挂架，除此之外起落架轮胎直径和整流罩也有所加大。
换装西斯帕罗·苏扎12Xcrs 12气缸V型液冷发动机（610马力）的试验机，装备20mm桨毂炮1门。
换装“寿”4型发动机（785马力）的改进型号，除发动机之外无另外的特别大改动，机体外形和2号2型基本一致（由于飞行员一致认为封闭式座舱遮挡视野，2号2型后期又恢复为了敞开式座舱）。最大平飞速度233.5节（435千米/小时/3160米），爬升至3000米高度耗时3分35秒，性能有所提高，考虑到添加大量实战装备的影响，已经基本恢复到了试作1号样机的性能水准。
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