日本海军联合舰队司令官山本五十六，本身就是一位航空战专家，对西方先进军事技术有着深入了解。
随着全金属飞机的普及以及在飞机座舱、发动机和驾驶舱安装装甲等防护手段的增加，山本认为当时的96式舰载战斗机的两挺7.7毫米机枪已经难以满足需要，尤其是美军已经开始装备重装甲化的B-17“空中堡垒”重型轰炸机，只用7.7毫米机枪攻击无异于自杀，因此要求日本海军的下一代战斗机，也就是零式战斗机必须装备可以发射爆破弹的20毫米机炮。这一点，相比最强火力只有两挺12.7毫米机枪的日本陆军一式战斗机要强出许多，后者在应对美军轰炸机的时候极为困难。
当时日本国内并没有现成的20毫米机炮，虽然驻法武官推荐了当时法国最新式的希斯潘诺HS404式20毫米机炮，但鉴于此前法国产品在日本军队中的恶劣影响，日本海军拒绝了这款机炮。事实证明这一步走对了，后来的英国喷火战斗机和美国P-38战斗机都装备了希斯潘诺为母型的20毫米机炮，但可靠性极差，P-38还好说，20毫米机炮打不响还有几挺12.7毫米机枪可用，喷火装备清一色的20毫米机炮，经常遇到全都打不响的局面那可就不仅仅是尴尬的问题了。日本最终选择了大名鼎鼎的瑞士厄利空20毫米航空炮，二战中最著名的20毫米机炮，各参战国广泛装备，口碑极佳。
旧日本海军在确定新型机可承受极限后向瑞士的厄立孔公司提出了授权生产厄立孔FF机炮的需求，并向其雇佣部份技术人员前来日本协助生产，新型九九式机炮的生产由大日本兵器公司负责， 同时也向英国雇佣火药技师协助生产新型20mm弹药，而这些技师在日本与同盟国开战后通通留滞日本并强迫协助开发九九式二型机炮。
考虑到日本战斗机结构比较脆弱，难以承受大威力炮弹发射时候的后坐力，日本海军选择了当时威力较小的20X72毫米炮弹，虽然可以装填炸药，但穿甲能力不足，最重要的是，初期版本的99-1式机炮炮管较短，初速不足，仅有600米/秒，打出去的炮弹弹道弯曲，不要说日本海航的新手，即便是西泽广义这样的老手也对其十分头疼，在战斗机上更愿意使用威力较小但弹道平直的7.7毫米航空机枪。
99式机炮安装在零式战斗机上后最初只能使用60发弹鼓，后期最终型可以使用125发弹链，初期弹鼓供弹造成机炮载弹量过少。在高速飞行、不断震颤的战机上，机炮的命中率较低，所以日本飞行员总是无奈的发现20毫米机炮还没命中敌人就打光了弹药。
99式机炮性能比较可靠，不过，地勤人员对于半蹲着身子手举重达30公斤的弹鼓为其装弹怨言颇多。尽管如此，在太平洋战争中，面对以抗揍著称的格鲁曼制铁工厂生产的美国海军战斗机，7.7毫米子弹对其基本无能为力，这个时候99式20毫米机炮就成了日本海军飞行员唯一的武器了。
针对99式机炮的问题，日本海军开发出了改进的99-2式机炮，采用20X101毫米大威力炮弹，加长炮管，初速达到750米/秒，新弹药的发射药由13.6克增加到21.6克，威力大增，性能极强。不过，这个时候的日本海航已经是末日黄花，面对出现在日本上空的B-29轰炸机，搭载99式机炮的零式战斗机早就不复昔日之勇，沦为自杀飞机了。
