零式艦上戦闘機に搭載された「20mm機関砲」と同系統のものを搭載する予定だったが調達のメドが立たず、アメリカ製M2機銃のコピー「12.7mm機銃」二挺を装備した。オリジナルのM2より強力な弾薬を使えるが重武装とは言えない。しかし、日本陸軍の定義では二式単座戦闘機は「重戦闘機」であった。この機銃は全ての主力戦闘機に装備された、日本陸軍後期の標準型航空機銃である。

一型甲・二型甲は12.7mm機銃×2門＋7.7mm機銃×2挺。一型乙・二型丙では12.7mm機銃×4挺となって増強されている。二型乙は胴体の12.7mm機銃2挺だけだが、主翼にホ三〇一を装備する事もできる。

防弾

一式戦闘機で着脱式にされた防弾版だったが、二式単座戦闘機では標準装備となった。13mmの防弾版がコクピット後方に張られており、この重量は60kgにもなる。アメリカの調査では「M2に対しては不充分」と判定されている。ただしこれは「防弾板の面に対して垂直に入ることを考えると」という条件においてであり、実戦で貫通されることは少なかった。

実戦

最初の実戦配備は独立飛行47戦隊で、ベトナムやインドネシア、ミャンマーで活動したが、一式戦闘機を装備した64戦隊に比べると地味だった。

南方にはスピットファイアなどの新鋭機が配備されていると予想され、Bf109Eとの模擬空戦で互角の性能を示した二式単座戦闘機はこれらに対抗可能と考えられた。しかし実際には第一線機は殆ど配備されておらず、航続距離に優れた一式戦闘機が爆撃機の護衛などで活躍した（二式単座戦闘機の飛行時間は欧米機に比して長かったものの、「2時間がせいぜい」と言われていた）。

1942年の「ドーリットル空襲」で東京が空襲され、本土防空が脆い事に気づいた時、東條英機首相の鶴の一声で、二式単座戦闘機を装備する部隊は南方から本土へ呼び戻された。

12月には「ハ109」（1450馬力）を装備した二型が制式採用されている。この二型が制式採用後の主力モデルである（生産数の少ない一型は増加試作機に分類）。

欧米機に比しては格闘戦性能が十分高かったため、旋回性能が劣ることは問題にされなくなった。後に蝶形空戦フラップが廃止されているが、やはり問題になることはなかった。

問題となったのは、相対的な火力不足とエンジン稼働率が安定しないという点である。

二型乙には対重爆のオプションとして40mm機関砲（ホ三〇一）を装備できた。これは厳密にはグレネードランチャーに分類されるもので、大口径で破壊力があるという長所があった。しかし集弾性能が悪くて弾速も遅く、8発しか装填できなかった（反動にフレームが耐えられないため）。

従って射撃の際は、照準器からはみ出る位まで近づいて撃つ事が必要とされた。敵の銃火に怯まずに高速で接近し、なおかつ一撃のチャンスを逃さない技量・度胸が求められる。扱いきれるのは上坊良太郎大尉などトップエースに限られた（僅かながら若手が戦果を上げた事例もある）。

本土防空

高高度性能が高く高速で重防御のB-29は、高い上昇力を持つ二式単座戦闘機にとっても困難な相手であり、到達限界高度ギリギリでの迎撃戦闘を強いられた。失速寸前で浮いているのが精一杯であり、一度攻撃するだけで再攻撃不能となるほど高度を失った。

12.7mm機銃ではB-29に相対するには分が悪かった。ホ三〇一は大変に扱いにくい武器だったが一発でも命中すればB-29を撃墜できるため、本機の運用が継続される理由となった。

搭乗員の評価

上記の通り高速の重戦闘機として開発され、ノモンハンの戦訓を受けて実用化された。

高速戦闘機による編隊空戦・一撃離脱の戦略構想は欧米各国で有力と判断され、戦中には最早諸外国の戦闘機は軒並み一撃離脱の得意な高速機になっていた（Fw190、P-47、テンペストなど）

同時期に配備された一式戦闘機より火力で勝り、防弾もしっかりしていた。最大速度も600km/hを超え、射撃時の安定も良かった。欧米戦闘機に比べれば旋回性能で上回り、非常に高い構造強度・急降下速度を誇った。時速800kmで引き起こしを行っても主翼に皺がよらない機体は、当時としては欧米でも限られた存在である。

が、それまで軽戦闘機に慣れた陸軍搭乗員に、重戦は不評であった。

「高い翼面荷重に起因する旋回性能の悪さ（日本基準）や速い失速速度」

「低い垂直尾翼高による大迎角時の方向蛇の利きの悪さ」

「大径エンジンの採用による着陸時の前方視界の悪さ」等がしばしば事故を引き起こさせ、「若い者には乗せられない」「殺人機」など悪評が立ってしまう。

戦前、二式戦闘機とBf109で模擬戦闘を行ったドイツ人パイロットは「日本パイロット全員が二式単座戦闘機を乗りこなせれば日本軍は世界最強になる」と発言をしていたが、これにも日本陸軍パイロット達は「こんな扱いにくい飛行機を使いこなせるようになれば、そりゃ世界最強になれるはな」という受け取り方しかしなかったという逸話もある。(一説ではBf109は太陽を背にしての一撃離脱を繰り返しすだけで、それでは模擬空戦にならないとの陸軍側の抗議にドイツ人パイロットは「これが実戦だ」と述べて前述の発言を行った。そして仕方が無いのでその後はBf109には日本人パイロットが乗り模擬空戦が行われたという)

しかし、本土防空戦において、パイロット不足により飛行時間が200時間以下の学徒動員パイロットが出撃する事態となったが、彼らが二式単座戦闘機で戦果を挙げる事例が続発した。軽戦の経験のない若手は着陸速度を問題にせず、乗りにくいと感じることはなかったようだ。

日本軍に関しては「現場は有能だが上層部が無能」と言われることが多いが、本機は時代の流れに沿った優秀な機体を現場が拒絶した事例である。開戦当初までの陸軍、及び戦前戦中通じての海軍に根強く存在した風潮を「日本の軽戦闘機偏重」として批判する向きもあるが、イタリアも現場の意見を取り入れて開戦当初は同じ傾向にあり、また同様の論争は当時のドイツやアメリカでも起きており、問題は「いかに過去の成功体験から来る盲目の信頼から脱却すべきか」という点である。

初の実戦参加部隊である第47戦隊の初期メンバーでもあった黒江保彦氏は自身が遭遇した離陸事故の悲惨さを｢不吉な番号の鍾馗｣と一節を割いて記載しているが、九七式と比べると段違いに向上した速度と加速性能を高評価しており、旋回からの急加速や急上昇&急降下のコンビネーションと言った本機の特性を活かした戦法での敵機撃墜も自著で描写している。

本機に馴染んでしまった搭乗者が二式複座戦闘機で本機得意の急加速や急降下を行った結果、自機を自壊させてしまうと言う珍事も起こっている(幸いにも訓練中だったので生還)。

1942年以降は「二式単座戦闘機を使いこなす事」が陸軍飛行戦隊の間でステータスとも言われ、一撃離脱戦法に理解がある実戦経験者が乗機に選んだとされる。

また、一般に四式戦闘機は一式戦闘機の後継機とされるが、中島飛行機社内では

『隼ではなく、鍾馗の正統発展型。それに隼の要素を加えた機体』

とされており、戦争勃発後に実戦部隊の評価が好転した機体であると言える。

二型のハ109エンジンは不調が多く、実戦部隊で評価が上がったことで次期主力エンジン「ハ45」（海軍名「誉」）エンジンに換装した三型も試作されたが、ハ45を搭載する四式戦闘機が優先されたため新規生産は1944年末に終了した。

前述のように開発時に二式戦闘機との模擬訓練を行ったドイツ人パイロットは「日本パイロット全員が二式単座戦闘機を乗りこなせれば日本軍は世界最強になる」という発言をしており、陸軍が採用を決める後押しとなった。

また戦後の米軍テストでは「迎撃機としては最優秀」との評価を下している。着陸性能は問題にされていないが、米軍の運用する戦闘機は、空母で運用する艦載機ですら二式戦以上の大直径エンジンを搭載する重戦が殆どであり、本機程度の前方視界や着陸速度は問題にならないのである。

余談

二式単座戦闘機等を開発した陸軍に比較して、日本海軍は軽戦重視から脱却できなかったとされる。零式艦上戦闘機は高速度で舵の効きが悪かったし、烈風は空母で運用するためとはいえ翼面荷重に制限がかけられ、高速性が犠牲になったあげく開発が間に合わなかった。

ただし、海軍も同時期に本機と似た設計思想の雷電の開発、零戦の52型への改修、紫電改を配備した343航空隊による「二機一組を二組用意した四機チームを維持しつつ、一撃を加え混乱した敵編隊を崩して格闘戦に持ち込む（場合によってはそのまま離脱）」という戦法の使用など、不完全かつ出遅れていたが重戦を意識してはいた。