堀越二郎設計的9試單戰大體上沿用了以前的7試艦戰的主體設計，而在諸多細節方麵做出了巨大的改進。把三菱9試單戰理解為一架性能全麵提升的7試發展型似乎也沒什麼不合適的。
動力方麵，考慮到自家開發的A-4型發動機在7試艦戰的測試中故障頻傳而且始終發揮不出設計性能，盡管肯定會讓三菱重工上下很沒麵子，堀越二郎還是毅然放棄了自家生產的產品，代之以一台死對頭中島飛機公司生產的壽5型600馬力風冷9缸星型發動機。
對於機身部分，堀越在7試艦戰的全金屬半硬殼結構的基礎上盡可能的做出流線型修型使之平滑光潔以降低空氣阻力。考慮到用來鉚接機身金屬蒙皮的鉚釘的凸出部分也會成為空氣阻力的一大來源，堀越相當富有創造性的大量采用了前端不會突出的沉頭鉚釘。
在機翼方麵，到這個時候，三菱重工已經掌握了將薄鋁板加工成複雜形狀的衝壓一體成型技術，於是堀越二郎一直期待的全金屬橢圓形薄機翼終於得以問世。出於改善飛行員前向視野的考慮，三菱9試單戰的1號原型機的機翼在內段向上折返，也就是所謂的“倒鷗型”機翼。
在1934年，歐美傳統航空工業大國已經開始采用可收放的起落架以降低飛機飛行時的阻力。堀越二郎也注意到了這一點。通過計算，他認為對於9試單戰這樣的輕型戰鬥機來說，采用可收放起落架大約可以減阻約10%，對提高飛行速度有利。但是另一方麵，增加一套起落架收放機構無疑會增加飛機的重量並且需要修改機翼、機身的結構，日本又缺少相關的技術積累，采用可收放起落架肯定對新機的進度產生相當的不利影響。綜合考慮，堀越最終還是決定放棄了這項新技術。當然，早先的三菱7試艦戰那碩大的兩隻鴨子腳似乎也一樣不怎麼可取。所以最終，堀越二郎為新機采用的是一套簡潔明快的單柱式固定起落架。為了最大限度的降低阻力，主輪外麵包覆一個流線型整流罩並且將起落架支柱也盡可能的作流線型修型。
在減重方麵，堀越和他的設計團隊也是一樣的煞費苦心。每一個零部件，無論它多麼小，設計師們都要反複計算其強度下限。在強度允許的範圍內盡可能的削弱削薄。這種設計風格是好是壞似乎也有些可以商榷的地方。
總之，在充分利用7試艦戰所取得的技術創新的基礎上再進行全方位的改進，三菱9試單戰的進展順利進行。從軍方發單算起的11個月後，1935年1月，三菱9試單戰的1號原型機試製完成。
1935年2月4日，在名古屋市以北大約25公裏的各務原機場，三菱9試單戰的1號原型機首飛成功。首飛落地後，三菱公司方的試飛員表示：“非常好”，堀越二郎一直懸著的心終於落地了。在此後幾天的試飛中，三菱9試的成績好得出奇：最大平飛速度達到了240節，全麵超越了軍方的設計要求，超標達26%！
試飛的數據傳到海軍方麵，軍方對這個好消息最開始的表現卻是嚇傻了：“不會是三菱的測試儀器壞了吧”。為了確認事情的真實性，2月18日，海軍航空本部、海軍航空廠的高級官員們雲集各務原。在海軍方麵自己的試飛員小林淑人少佐的試飛中，軍方確認了飛機速度表的指針確實超過215節（398公裏/小時）的刻度。軍方仍然不敢相信。幾天以後，軍方采用了一種非常土氣又簡單的測試方法：他們在機場跑道上標出2000米長的一段距離，由小林少佐駕駛下的飛機在20米超低空以最大速度衝過這段跑道並以秒表計時。這種測試方法當然精確度不高，即便如此，三菱9試仍然在18秒內完成了測試。事實證明，三菱9試1號機最大速度在超低空也確實輕易突破了400公裏/小時的大關，那麼在高空當然會更快。