16 марта 1939 года – через одиннадцать месяцев после начала работы по 12- Си – прототип самолета был готов. 19 марта его взвесили. Затем провели несколько стендовых испытаний двигателя и планера. Поскольку поблизости от завода не было ни одной взлетно-посадочной полосы, самолет в полуразобранном виде на двух повозках, запряженных волами, отвезли за 40 км на испытательный армейский аэродром в Кагамигахаре. Там самолет собрали и 1 апреля 1939 года за штурвал сел летчик-испытатель Кацудзо Сима. После наземных испытаний двигателя. пробной рулежки и испытаний тормозов пилот совершил пробный подлет. Оторвавшись от земли пилот быстро проверил реакцию машины на рули и совершил посадку. Первый настоящий полет (правда с неубранным шасси) имел место 14 апреля. В полете была выявлена вибрация самолета, которая хотя и была невелика, однако хорошо ощущалась. Главный конструктор был уверен, что причина вибрации кроется в неуравновешенном двухлопастном пропеллере самолета. 17 апреля 1939 года винт заменили на трехлопастный, а в точках крепления двигателя к мотораме поставили резиновые амортизаторы – и вибрация исчезла. Этот трехлопастный винт был первым винтом подобного типа на японских самолетах. 25 апреля состоялся замер максимальной скорости самолета. На высоте 3000 метров она составила 265 узлов (491 км/ч), то есть на 5 узлов (почти 10 км/ч) меньше, чем требовалось. Главной причиной этого был недостаточно мощный двигатель. В то время на английские, американские и немецкие самолеты ставили двигатели мощностью не менее 1000 л.с., в то время как на японском истребителе двигатель не развивал и 900 л.с. 1 мая поступило указание поставить на первый прототип более мощный двигатель Накадзима Сакаэ-12 мощностью 953 л.с. (940 hp – 701 кВт). Пока шла замена двигателя, 18 октября 1939 года в воздух поднялся второй прототип A6M1 с прежним двигателем Мицубиси Дзуйсей-13 и трехлопастным пропеллером. На втором прототипе было установлено штатное вооружение, вообще этот экземпляр предназначался, главным образом, для испытания вооружения.
Для управления первым прототипом к штурвалу необходимо было прикладывать значительные усилия, на втором прототипе этот недостаток устранили. После необходимых испытаний второй прототип 25 октября 1939 гола был принят комиссией ВМФ. В конце октября 1939 года провели испытания вооружения самолета. Уже во время первого захода самолет поразил наземную цель площадью 19 м^2 девятью снарядами из двадцати. Со всех точек зрения новый самолет оказался на редкость удачным.