Видя, что на средних и больших высотах А6М проигрывает и Р-38, и появившимся впервые в 1943 г. истребителям F6F «Хеллкэт», японцы попытались модифицировать А6М. Арсенал морской авиации в г. Йокосуке попытался оборудовать А6М турбокомпрессором и улучшить летные данные самолета на большой высоте. Новая модель именовалась А6М4, но было построено всего два экземпляра, и из-за трудностей с двигателями в серию модель не пошла.
Пока шли эксперименты с турбокомпрессорами, было решено попытаться улучшить А6МЗ. Переделали крыло, утолщив обшивку и уменьшив размах до 11 м, но в отличие от А6МЗ на модели 31 сделали закругленные законцовки. Площадь крыла уменьшилась по сравнению с А6МЗ на 0,23 м, силовую установку усовершенствовали установкой реактивных патрубков. В результате вес новой модификации вырос на 183 кг, но скорость увеличилась до 561 км/ч на 6000 м. Маневренность почти не ухудшилась, а ряд характеристик, в частности скорость сваливания, даже улучшились. Этот самолет получил обозначение А6М5.
К осени 1943 г. А6М5 модель 52 уже строилась серийно. Первый вариант модели 52 (модель 52-ко) вскоре был заменен на модель 52-оцу, имевшую вместо 7,7-мм пулемета в фюзеляже пулемет Типа 3- Эта модель была лучшей среди А6М, но военные требовали «улучшений», и свойства А6М неизменно ухудшались. Вместо одного 13,2-мм пулемета на А6М5 модель 52-каи поставили три. Эта модель являлась чисто сухопутной, у нее отсутствовал посадочный крюк. Установили протестированный бак емкостью 140 л под кабиной. Все чаще на А6М подвешивали бомбы и даже неуправляемые ракеты.
Пытаясь улучшить живучесть и огневую мощь, арсенал морской авиации в Кагамигахаре совместно с Мицубиси разработал модификацию А6Мб, имевшую усиленное бронирование, протектирование баков и вооружение из трех 13,2-мм пулеметов и трех 20-мм пушек. Когда удалось изготовить новый мотор «Сакае» 31 с непосредственным впрыском водно-метаноловой смеси в цилиндры, в серию попытались запустить А6Мб модель 53-хей. Но недоработанная система впрыска часто выходила из строя, и крупной серии не последовало.
Была попытка переделать А6Мб в пикирующий истребитель-бомбардировщик. Эта модификация - А6М7 - могла нести 250-кг бомбу под фюзеляжем одновременно с двумя 340-л сбрасываемыми подкрыльными баками. От А6Мб он отличался множественными усилениями конструкции. Попытка выпустить крупную серию таких машин в мае 1945 г. захлебнулась из-за развала японской авиапромышленности вследствие бомбардировок. Однако небольшое число А6М7 приняло участие в боях, правда, в основном в качестве камикадзе.
Хотя А6М5 и А6Мб были значительно лучше ранних А6М и по живучести, и по вооружению, превосходили их в скорости и сохранили неплохую маневренность, новые американские истребители F6F «Хеллкэт» и F4U «Корсар» не оставляли А6М никаких шансов на успех.
Опытных японских пилотов становилось все меньше, а истребителей противника все больше. Резерв летчиков у Японии и до войны был не так велик, как у США (около 300 человек), а в ходе войны этот разрыв еще более увеличился. Трудности со снабжением японской авиации горючим все возрастали, а это отражалось на подготовке курсантов.
Американцы тщательно изучали тактику японской авиации и активно использовали свое техническое превосходство, например в радиолокации. Уничтожить обнаруженные группы японских самолетов было делом техники - внезапные атаки с выгодных тактических направлений почти всегда были результативны.
На вираже А6М уходил от «Хеллкэта» за четверть полного круга, кроме того, F6F-3 имели по сравнению с А6М2 и А6МЗ большую скорость, скороподъемность и лучшие свойства на пикировании, хотя маневренность А6М была выше. Однако F6F-3 мог выдержать не только разрушения от 7,7-мм пулеметов, но и устаревших 20-мм пушек А6М, тогда как японский истребитель от попаданий 12,7-мм пуль неизменно загорался. Так, 4 декабря 1943 г. 93 F6F-3, встретив 50 А6М, сбили 28 из них. Когда в боях с японской стороны основным стал А6М5, уже серийно строился F6F-5, превосходивший А6М5 по скорости на 91 км/ч на 3000 м и на 121 км/ч на 1600 м. При численном перевесе и гораздо большем налете американских летчиков пилотам А6М было почти не на что рассчитывать. Это подтверждалось почти во всех боях.
Истребитель «Корсар» также в целом превосходил А6М всех моделей, и результаты боев были не в пользу японцев. Не могли успешно действовать А6М и против В-24, В-29. На А6М5 даже устанавливались наклонные пушки за кабиной, стрелявшие вверх, их пытались использовать как ночные истребители, но особых успехов не было. Системы наведения у японцев были несовершенны, а В-24 и В-17 имели сильное оборонительное вооружение.