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  零式水上偵察機的開發始於1937年(昭和12年),其目的是為了取代速度較慢的雙翼九四式水上偵察機。日本帝國海軍提出了"十二試三座水上偵察機"的開發案,要求廠商開發一款能在軍艦、陸上基地共享的長程水上偵察機,極速標準為時速370公里,原型機交付給軍方的期限為1938年9月。此研發案由川西飛機公司與愛知飛機公司競爭。  最初,愛知沒有趕上軍方設定的交付時限,因此軍方只測試了川西重工製造的原型機();不過愛知內部仍繼續研發,並將原型機完工。1939年1月,十三試水偵愛知版出廠。在此同時,日本海軍對川西的設計不很滿意,無論是機體強度、極速、飛行操作性上都沒有特別出色;而川西在這次案子中運氣也特別差,1號原型機因顫振(Flutter)現象導致主翼受損,2號原型機則是在1939年6月測試途中就消失未歸。於是愛知策動海軍希望提供它們的水偵一個機會測試,於是海軍決定讓愛知的機體交付橫須賀測試。  測試後,海軍對該機的效能十分滿意,因此在1940年12月正式採用量產。

  零式水偵為一架三座、低單翼偵察機。機體鋁合金制,連線2具浮筒;設有小型炸彈艙,可在內部裝載2枚60公斤的小型炸彈,250公斤炸彈則需外掛。初期版本浮筒和機身以4條支柱和張線連線,之後取消張線而把支柱加至8條。 機翼則為鋁、木混合製品、可摺疊收納,木質部分主要是翼端結構,為了減低機體複雜性機翼並沒有設計襟翼,只裝有一般的控制面。

  在1941年底開戰時,零式水偵與零式水觀一同成為日本海軍軍艦上的主力水上飛機;在襲擊珍珠港行動前,由重巡洋艦利根號上的零式水偵就曾偵察過珍珠港,在日軍逐漸開赴南洋後也開始在各島嶼的水上飛機場出沒。不過,水上飛機的效能終究不足以跟上戰局的發展,在1943年後盟軍的飛機速度均達到時速500公里以上的標準;水上飛機的存活率大幅下降,海軍為了因應此點,也籌措了航空母艦艦載之高速偵察機。水上偵察機的運用範疇便逐漸侷限,主要只用在夜間偵查、對海巡邏、海上搜救、或是作為親善物資運用,泰國皇家海軍便因此接收了一批零式水觀。  零式水偵雖然是愛知研發,但公司所屬工廠因主要生產九九式艦上轟炸機,因此只少量生產了133架;大部分的零式水偵由廣海軍工廠與九州飛機代工,尤其是九州飛機生產了1,237架,實際上為零式水偵的主要生產商。到1945年日本戰敗時,日本尚存約200架的零式水偵,大部分佈署在海外基地;後來有8架被法國海軍繳獲用於中南半島戰場。  初期型 加裝機載雷達 加裝磁異測測器的反潛機型 加大載彈量並在機頭加上兩門向下斜射的20毫米口徑機炮,用以攻擊美軍小型艦艇
零式水上偵察機是愛知飛機研發的水上偵察機,編號E13A,簡稱零式水偵,盟軍代號「Jake」。為日軍在二戰初主力艦載水上飛機,可負擔偵查與對地攻擊任務。 同時期還有另一款名為零式小型水上偵察機的機種服役量產,但兩者並非同型機。