1941年1月編成於鹿屋的第1航空隊共擁有24架96式4號艦戰和36架新型的G4M11式陸攻。1空在中國戰場呆到1941年9月隨後調往台灣用於參加計劃中的對菲律賓的進攻作戰。7月到8月，1空的遠程轟炸機隊參加了對中國內地的轟炸。在此同時，艦戰隊則主要用於漢口機場的防空任務。此時的中國空軍自然沒有能力攻擊武漢地區，自然1空艦戰隊也就沒有取得任何空戰的機會。此後，1空艦戰隊撤銷，主要人員編入了用於進攻菲律賓的第3和台南兩個航空隊。這可能是96式艦戰在中國戰場上最後一次運用。
到太平洋戰爭爆發時，日本海軍航空兵的一線部隊6艘大型航空母艦和兩個基地航空隊已經全麵裝備了先進的零式艦載戰鬥機。但由於零戰的產能有限，在4艘二線輕型航空母艦鳳翔、龍驤、瑞鳳和春日丸（即後來的航母大鷹）上和二線基地航空隊中，就仍然是96艦戰撐大梁。1941年12月8日清晨，從龍驤號航空母艦上起飛的9架96艦戰和13架97艦攻在飛行隊長相生高秀大尉的率領下空襲了菲律賓棉蘭老島東南的港口城市達沃，打響了日本海軍進攻菲律賓的第一槍。在當日的交戰中，1架96艦戰被美軍地麵炮火擊中，飛行員川西廣二等航空兵曹迫降後焚毀自己的飛機拒俘自殺，這也是太平洋戰爭中被擊落第一架96式艦戰。
太平洋戰爭爆發前，日本海軍千歲航空隊進駐當時日本占領下的馬紹爾群島的洛特加龍省島（美國方麵稱之為Roi島）和塔羅阿（Taroa）島基地，其中包括千歲空戰鬥機隊的36架96式4號艦戰。這些96式4號艦戰由飛行隊長——參加過中日戰爭初期的空中作戰的戰鬥機老手五十嵐周正少佐指揮。戰爭爆發後，從12月8日到10日，千歲空的96式陸攻機群連續多次空襲威克島上的美軍目標。由於航程不足，千歲空的戰鬥機沒有參加戰鬥。
1月23日日軍占領拉包爾後，千歲空戰鬥機隊的一部搭乘航母瑞鶴和翔鶴進駐拉包爾。盡管大多數飛行員從來沒有接受過從航母上起降的訓練，千歲空的飛行員們還是獲得了成功。
2月1日，以航空母艦企業號為核心的美國第8特混艦隊和以航空母艦約克城號為核心的第17特混艦隊發起了自珍珠港事件以來美國海軍的第一次出擊。目標是馬紹爾群島和吉爾伯特群島的日本海軍基地。
攻擊馬紹爾群島日軍目標的企業號航母共出動了12架F4F戰鬥機、37架SBD俯衝轟炸機在和18架TBD魚雷轟炸機。洛特加龍省島上空，駐島的的千歲空分遣隊在指揮官倉兼義男大尉的指揮下先後出動22架次的被美軍稱為Claude的96式艦戰升空迎戰。交戰中，千歲空的戰鬥機飛行員們顯示出了良好的軍事素質（千歲空的訓練水平在當時的日本海軍航空隊中是相當出名的）。在遭到出乎意料的襲擊之後，日軍戰鬥機反應迅速鬥誌旺盛，多名飛行員一天之內即參戰三次之多。空戰中，倉兼大尉本人的飛機被擊落墜海，他跳傘得以逃生。擊落倉兼義男座機的是航母企業號搭載的第6艦載戰鬥機中隊（VF6）的F4F戰鬥機飛行員威爾墨·拉維上尉，這也是在太平洋戰爭中美國海軍戰鬥機飛行員的第一個擊落記錄。擊落倉兼義男的座機之後，拉維又試圖瞄準倉兼的僚機。決心為長官討回公道的日軍僚機飛行員原富太三等航空兵曹也不甘示弱。緊急關頭，他憑借96艦戰出類拔萃的盤旋性能做了一個超乎拉維想象的180度急轉。兩架飛機頭對頭對衝，誰也不肯主動退讓。最終F4F的腹部撞了96艦戰的機翼。F4F皮糙肉厚，雖然被擦傷了肚皮但仍然能夠堅持戰鬥。原三空曹的小96可遠沒有這麼結實。這次空中車禍撞彎了他的機翼，整個副翼差點被從機翼上扯掉。原富太隻能掙紮回機場迫降。