Получив заказ от командования флота, "Мицубиси" загрузила свой завод в Нагое выпуском новых истребителей. Первый серийный вариант, А5М1, основывался на конструкции второго экземпляра Ка-14, но имел от него ряд отличий. Чтобы привести дальность полета в соответствие с требованиями заказчика, увеличили емкость бензобаков с 200 до 330 л. Для этого в крыльях разместили еще два бака по 65 л. Дополнительно предусмотрели крепление под фюзеляжем несбрасываемого бака. При виде сбоку он напоминал каплю, а борта у него были плоскими. Чтобы уменьшить сопротивление воздуха, верхняя часть бака уходила в выемку в обшивке. На серийных машинах использовали мотор "Котобуки" 2КАИ-Ко, развивавший 630 л.с. Он был заключен в новый капот, имевший вид сужающегося назад конуса с округлой передней кромкой. Изменились также очертания гаргрота и вертикального оперения. Из гаргрота при необходимости вверх выдвигалась стойка с массивной пятой наверху. Она должна была защитить голову летчика в случае капотирования. Площадь киля увеличилась, а руль направления лишился рогового компенсатора и стал более округлым.
Шасси, по сравнению с Ка-14, практически не изменилось, лишь сняли обтекатель с хвостового колеса. Вооружение истребителя состояло из двух 7,7-мм пулеметов типа 89, располагавшихся сверху перед пилотской кабиной. На каждый имелось по 500 патронов. В то время подобное вооружение считалось вполне достаточным. Перед козырьком пилотской кабины располагалась длинная труба оптического прицела, поверх которой монтировался дублирующий прицел - мушка и кольцо.
Первые А5М1 поступили в части японской морской авиации в начале 1937 г. Конструктивные доработки и установка дополнительного оборудования, отсутствовавшего на опытных образцах, привели к возрастанию веса пустого самолета до 1500 кг (на 30 кг больше, чем у второго Ка-14). Вместе с установкой в серии менее мощного двигателя это привело к ухудшению летных данных. Максимальная скорость упала до 406 км/ч, ухудшилась скороподъемность. От роста нагрузки на крыло несколько пострадала маневренность.
Всего выпустили 75 А5М1. В это число вошел один А5М1-Ко, на котором в порядке эксперимента поставили две швейцарские 20-мм автоматические пушки Эрликон FF с магазинным питанием. Это, по-видимому, был первый японский морской истребитель с пушечным вооружением.
В конце весны в цехах завода в Нагое А5М1 сменила новая модификация - А5М2. Она выпускалась в нескольких вариантах. Первым из них являлся А5М2-Ко ("модель 21") с двигателем "Котобуки" 2КАИ-3-КО (690 л.с.) с трехлопастным винтом диаметром 2,98 м (у старого двухлопастного - 2,69 м). Новый большой пропеллер позволял лучше использовать мощность мотора. При этом центр масс сместился вперед. Чтобы сохранить прежнюю центровку самолета, мотораму укоротили на 165 мм.
Вместо одного всасывающего патрубка карбюратора под капотом сделали два, установленных над его задней кромкой. Это немного ухудшило обзор пилоту, но уменьшило потери давления на всасывании. Выхлопные патрубки стали короче.
Высоту гаргрота опять увеличили. Теперь его передняя часть намного выступала над головой летчика, и можно было не опасаться за его судьбу при капотировании истребителя на посадке. Поэтому выдвижную пяту ликвидировали. Также изменили конструкцию ветрового козырька пилотской кабины.
Усовершенствования в целом положительно сказались на летных качествах машины. Максимальная скорость поднялась до 426 км/ч, время набора высоты 5000 м уменьшилось примерно на полминуты. Но полетный вес дошел до 1608 кг, что привело к дальнейшему увеличению нагрузки на крыло, а следовательно, к ухудшению маневренности.
Уже в ходе боевых действий в Китае в серийное производство запустили А5М2-Оцу ("модель 22"). Этот вариант очень сильно отличался от типа Ко. Правильнее считать его самостоятельной модификацией. Конструкторы увеличили сечение фюзеляжа и сделали пилотскую кабину закрытой. Одной из причин такого решения являлось то, что летчики мерзли на больших высотах. Теперь фонарь состоял из козырька, передней сдвижной и задней неподвижной секций. Чтобы попасть в кабину, летчик сдвигал переднюю секцию назад по направляющим. Козырек опять стал трехгранным, но немного большего размера. Через него насквозь проходила труба оптического прицела, очень похожего на наш ОП-1. Поскольку массивный гаргрот сильно ухудшал обзор назад, его урезали с боков наискосок так, что он приобрел форму клина.
На А5М2-Оцу стоял мотор "Котобуки" 3, такой же, как на втором экземпляре Ка-14. А вот капот стал совсем другим - бочкообразным цилиндром с жалюзи на задней кромке. Жалюзи позволяло регулировать обдув двигателя на различных режимах полета, не допуская перегрева или переохлаждения. Всасывающий патрубок карбюратора перенесли вниз. Новые основные стойки шасси (по типу Ки.ЗЗ) с колесами большего размера позволили уверенно эксплуатировать машину с неровных полевых аэродромов на суше. Вооружение самолета дополнили двумя держателями под бомбы калибром до 30 кг. Их разместили под консолями крыла, поблизости от стоек шасси. Обязательным оборудованием стала приемно-передающая радиостанция. Ее антенна натягивалась между наклоненной вперед мачтой, стоявшей за кабиной пилота, и верхушкой киля.
Все это вновь увеличило полетный вес самолета до 1654 кг. Даже рост мощности двигателя и улучшение аэродинамики за счет закрытия кабины фонарем не смогли скомпенсировать этого. Максимальная скорость полета упала, скороподъемность и маневренность ухудшились, также как взлетно-посадочные качества. Война с Китаем была в полном разгаре. Флоту требовалось все больше новых истребителей. К заводу "Мицубиси" в Нагое присоединился 21-й военно-морской авиаарсенал (государственный завод, принадлежавший ВМФ) в Омуре, где тоже наладили сборку А5М2-Оцу.
Закрытая кабина сразу вызвала массу критики у летчиков строевых частей. Фонарь с частыми переплетами (большие секции остекления просто не умели делать) сильно ухудшал обзор. Установить его в промежуточном положении (полузакрытом) было невозможно. Кроме того, пилоты боялись, что при боевых повреждениях фонарь заклинит и из машины нельзя будет выпрыгнуть с парашютом. Поэтому на фронте фонари стали снимать, причем и подвижную, и неподвижную секции.
По требованию командования флота конструкторы "Мицубиси" вновь переделали кабину истребителя в открытую. Они вернулись к гаргроту по типу А5М2-Ко, усилив его каркас, но сохранили козырек и прицел модификации А5М2-Оцу. Мачта радиоантенны стала вертикальной. Открытую кабину внедрили со 109-го самолета типа Оцу в Нагое и с 17-го - в Омуре. Позднее в ходе серийного производства последовательно сменили три разных образца ветровых козырьков. При этом козырек становился все более "глубоким", уменьшая задувание в кабину.
Следующая модификация, А5МЗ-Ко, существовала в двух экземплярах. На ней японские адмиралы хотели попробовать французскую новинку - "мотор-пушку". 20-мм автоматическая пушка "Испано" стояла в развале блоков V-образного двигателя Испано-Сюиза 12Xcrs и стреляла через полый вал редуктора. Массивный мотор служил пушке лафетом, поглощая энергию отдачи, а расположение оружия по оси самолета существенно упрощало прицеливание. Опытный образец переделали из серийного А5М2-Ко. 12-цилиндровый французский двигатель имел жидкостное охлаждение; радиатор разместили в "ванне" под фюзеляжем за пилотской кабиной. Узкий и длинный мотор придал истребителю очень изящные очертания. Для улучшения аэродинамики на хвостовое колесо вновь надели каплевидный обтекатель, такой же, как на опытных Ка-14. Хотя двигатель "Испано-Сюиза" давал всего 690 л. с, по скорости А5МЗ-Ко превосходил все предыдущие варианты самолета. Но командование флота не ставило задачу наладить его серийный выпуск - моторы пришлось бы импортировать.
Зато следующая модификация, А5М4 ("модель 4", позднее переименованная в "модель 24"), производилась в больших по тем временам количествах. Причиной ее появления стал переход войны в Китае в новую стадию. Японцы добились подавляющего превосходства в воздухе и начали проводить дальние рейды на города в глубине китайской территории. Китайцы же оттянули большую часть оставшихся у них самолетов в тыл, где они наносили существенные потери японским бомбардировщикам, действовавшим днем за пределами радиуса истребительного прикрытия. Нужен был дальний истребитель сопровождения.
Дальность полета А5М повысили простейшим способом - подвесили под фюзеляж сигарообразный топливный бак емкостью 160 л. В отличие от старого, этот бак при необходимости можно было сбросить. Дальность увеличилась до 650 км, продолжительность полета - до 3 ч. Правда, взлетный вес возрос до 1671 кг. Позднее сконструировали еще больший бак, на 210 л бензина. Впоследствии под эти баки переоборудовали некоторое количество машин более ранних модификаций.
Чтобы не получить резкого ухудшения летных данных, на А5М4 установили мотор "Котобуки" 41 мощностью 785 л.с. Винт фиксированного шага заменили двухшажным с гидроуправлением. Это позволило удержать максимальную скорость на уровне 425 км/ч.
Поскольку при сопровождении бомбардировщиков иногда приходилось садиться затемно, машину оборудовали фарами. Козырек пилотской кабины сделали более округлым.
Серия А5М4 выпускалась в цехах завода в Нагое с 1938 г. В следующем году эту же модификацию начали строить в Омуре, а также на заводе фирмы "Ватанабэ". "Мицубиси" прекратила выпуск А5М4 в 1940 г., изготовив в общей сложности 782 серийные машины всех модификаций. Последние самолеты оснащались моторами "Котобуки" 41 КАИ такой же мощности, что и "Котобуки" 41, и именовались "модель 34". После этого в Нагое стали собирать новые истребители А6М1, более известные под прозвищем "Зеро" (от официального обозначения "тип 0" - то есть "образца 1940 г."). В 1941 г. прекратилось производство старых машин в Омуре. Там итог составил 161 самолет. "Ватанабэ" делала их до начала 1942 г., но построила всего 39 истребителей. Но все это касается только боевых машин. В 1940 г. авиаарсенал в Омуре получил задание "15-Се" на разработку двухместного учебно-тренировочного варианта А5М4, названного А5М4-К. Два пилота (обучаемый и инструктор) сидели в отдельных открытых кабинах, расположенных друг за другом. Чтобы выкроить места им обоим, сдвинули противопожарную перегородку вперед и укоротили мотораму. В результате место обучаемого находилось чуть впереди места летчика на боевом А5М4. Инструктор сидел у задней кромки крыла. Его кресло стояло немного выше, чтобы он мог смотреть через голову курсанта. Каждая кабина имела отдельный ветровой козырек. Между кабинами стояла высокая стойка с пятой, защищающей экипаж при капотировании. Вооружения А5М4-К не нес.
Хотя учебная модификация получилась немного тяжелее боевой, скорость у нее была выше; возрос и потолок. Однако из-за изменения центровки устойчивость самолета ухудшилась, возросла тенденция к входу в штопор, неприемлемая для учебного самолета. Чтобы справиться с этим, на бортах в хвостовой части фюзеляжа сделали горизонтальные ребра.
Учебные машины летали не с авианосцев, а с сухопутных аэродромов, как правило, грунтовых. Во влажную погоду грязь и трава забивались внутрь обтекателей колес и подтормаживали их. Это могло привести к неконтролируемым разворотам или даже капотированию. В то же время скорость для учебного самолета - не главное. Поэтому А5М4-К выпускали без обтекателей колес.
Всего за период с 1942 по 1944 г. завод в Омуре построил 103 машины учебного варианта. На них ставили как моторы "Котобуки" 41, так и "Котобуки" 41 КАИ. После выполнения заказа на учебные самолеты А5М был официально снят с производства.
