Два летных А5М стали трофеями советских добровольцев, воевавших в Китае. Правда, один из них был разбит во время перегонки в Союз из-за диверсии - в бак самолета подсыпали сахар. Второй самолет проходил испытания в СССР, но в августе 1939 г во время учебного боя с И-153 истребитель Мицубиси был разбит, погиб летчик-испытатель Вахрушев.
После получения из Франции 12-цилиндровых двигателей водяного охлаждения "Испано-Сюиза" мощностью 610 л.с. их испытали на двух А5МЗа вместе с 20-мм пушками, стрелявшими через втулку винта. Но небольшой прирост скорости оказался недостаточным для принятия модели на вооружение - флот решил порвать с поставками из-за рубежа. В результате следующей серийной моделью стал А5М4.
Опыт войны в Китае поставил вопрос об увеличении дальности полета истребителя. В результате новый А5М4 внешне не отличался от А5М2Ь с открытой кабиной, зато получил возможность подвески 160-л сбрасываемого топливного бака. Первоначально самолет назывался "модель 4", но с введением новой системы обозначения самолетов и двигателей название было изменено на "модель 24". В Китай А5М4 попали в 1938 г. Они значительно расширили зону досягаемости японских истребителей, что заставило китайцев вновь отвести свою авиацию в глубь незанятой врагом территории. А5М4 стал самой массовой моделью истребителя. Всего было выпущено 1095 А5М, включая 39, поставленных с Ватанабе, и 264 - с 11-го морского авиационно-технического арсенала в Омура. Последние серийные самолеты получили двигатель "Котобуки"-41 КАИ, и еще назывались "модель 34", но до 1941 г А5М был снят с вооружения боевых частей.
В начале войны на Тихом океане союзники полагали, что истребитель Мицубиси А5М4 все еще состоит на вооружении флотских частей, но реально ими были вооружены только авианосцы "Рюйо", "Зуйхо" и "Хосо". Эти истребители планировали использовать для прикрытия бомбардировщиков, которые с баз на Тайване бомбили Филиппины. Но выдающаяся дальность полета другого истребителя Мицубиси А6М2, позволила обеспечить прикрытие бомбардировщиков без применения авианосцев. Истребители А5М4 приняли только участие в налете на Давао, а потом использовались исключительно в учебных и запасных частях.
В 1940 г по заданию 15-Си на 11-м арсенале началось проектирование двухместной учебной версии "типа 96". Новый А5М4-К получил двигатель "Котобуки"-41. Внешне самолет отличался от истребителя снятыми обтекателями стоек шасси и большим гаргротом за двухместной открытой кабиной. Между кабинами была противокапотажная ферма, а под хвостовой частью фюзеляжа два небольших дополнительных киля, улучшившие штопорные характеристики. Истребители А5М4 долго служили в качестве самолета повышенной подготовки пилотов-истребителей, а в конце войны несколько оставшихся самолетов использовалось камикадзе.