經過修改後，軍方試飛員對於1號機表示滿意。在經曆了軍方和民間試飛員合計119次的試飛之後，1939年9月14日，1號機最後一次從各務原機場起飛，飛往橫須賀海軍基地，正式交付日本海軍準備進行定型前的最後測試。
三菱公司方麵在這之後的工作就順風順水了。11月24日，2號原型機交付海軍試用。1940年1月24日，換裝了榮發動機的試生產型3號機交付海軍試用。相應的編號也改為A6M2。在試飛中，A6M2輕而易舉的突破時速500公裏的大關，最大速度達到了509公裏/小時，這個性能值比一年半以後才裝備日本陸航的1式戰鬥機1型快了差不多20公裏。其他方麵，A6M2的性能也完全達到了軍方的要求。在此之後，4號-6號樣機也陸續完成交付海軍試用。到這個時候，三菱公司上下幾乎每個人都覺得成功在即。堀越二郎實現了此前每個人都認為無法實現的任務。可能是覺得到這個時候堀越二郎已經沒多少事情可幹，公司方麵索性將即將開始的14試局地戰鬥機的項目（即後來的雷電）交給了堀越二郎。
如果事情到此結束，那麼零戰的開發曆史就還算不上好事多磨。別急，以後的麻煩事還多著呢。差不多就在堀越準備著手研製新型飛機的時候，1940年3月11日，一個令三菱公司上下意想不到的消息傳到了名古屋：在當天的試飛中，2號機空中解體，試飛員當場死亡。從原型機交付海軍試用以來，不是沒有發生過事故。在此之前的試飛中，1號原型機就曾經發生過起落架固定鎖失靈的事故。不過由於這與機體的基本設計沒有太大關係，所以也沒有引起太多的重視。而這次機會人亡的嚴重事故，則嚴重威脅到12試艦戰未來的命運。
說來很好笑，按照當時日本海軍的規定，交付軍方的飛機便與製造廠商基本脫離關係，試飛的具體情況連堀越二郎這個主任設計師都無權獲知。隻是由於這一次的事故與機體部分的設計可能有關，所以軍方才破例允許堀越本人也參加了對事故的調查。事實上，對於這次事故，堀越本人所能做的唯一的一件事就是旁聽。
3月11日的試飛主要是針對新采用的三葉恒速螺旋槳在俯衝時的超速旋轉。當日，在試飛員奧山真澄的駕駛下，2號機從1500公尺高度以50度角俯衝，到500公尺高度上改平。距地麵人員觀測，第一次俯衝順利完成之後，2號機進入第二次俯衝。就在這時，飛機忽然發出“咻”和“嗡”的異聲，隨即淩空解體。試飛員本人跳傘後由於不明原因人傘脫離墜海身亡。
由於2號機是在俯衝過程中突然空中解體，此時的最大速度是450-500公裏/小時之間，而按照空技廠所做的測試，12試艦戰應該可以承受600節即大約1100公尺/小時的俯衝速度。這似乎可以證明機體的強度並不是造成這次事故的主因。事故的元凶很可能是顫振。顫振是個空氣動力學的術語，指的是航空器結構在均勻氣流中由於受到氣動力、彈性力和慣性力耦合作用而發生的振幅不衰減的自激振動。顫振發生後傳到整個機體，這就非常有可能導致機體結構瞬間解體。
那麼到底是什麼導致了顫振的發生呢？為了調查事故的真相，空技廠動員了大批人員在事故發生範圍的海灘上和淺海裏搜尋飛機的殘片。亮晶晶的鋁片擺滿了廠區的一角。經過反複的分析，技術人員們發現，整體解體的飛機殘骸中，絕大多數部件並無很嚴重的物理性變形，隻有升降舵平衡配重的連杆嚴重扭曲變形，幾乎無法辨認出原有的形狀。這表明在事故發生之前，平衡配重塊很可能就已經脫落。加上在此之前1號機的試飛中，就已經發生過配重連杆變形，配重塊脫落的事故。通過進一步的風洞吹風試驗，負責振動試驗的空技廠工程師鬆平精發現，如果在沒有升降舵平衡配重的情況下，飛機在速度達到250-260節時升降舵就必然發生強烈的振動。
據此，鬆平精最終得出結論：事故的原因就是飛機升降舵的平衡配重連杆在多次使用後發生疲勞變形。當2號機第二次進入俯衝時，連杆斷裂。失去配重塊的升降舵發生致命的顫振，導致飛機當場解體。事故的原因找到以後解決的方法就簡單了，將連杆加強即可。在此之後，上萬架零戰的的實際使用中也再沒有發生過類似的事故。至於堀越二郎的雕刻刀在這次事故中起到了什麼樣的作用，似乎就沒有人再去過問了。