Le 26 avril 1939, le Flugkapitän Fritz Wendel établit le record absolu de vitesse en atteignant 755 Km/h à bord d'un Me 209. Fort de ce succès, jamais égalé par un avion à moteur à pistons, et à la demande du R.L.M., Messerschmitt entreprit la modification de cet appareil pour en faire un chasseur aux performances exceptionnelles. Ce Me 209 V-4 fut très décevant lors de ses essais en vol en 1940 ; de plus, il exigeait de longues pistes bétonnées pour décoller et atterrir, ce qui constituait un sérieux handicap. En 1942, complètement modifié, allongé, ressemblant à un Ta 152, un Me 209 V-5 fut construit mais ne connut pas de suite, Hitler intervenant personnellement pour faire activer la production du Me 262. Les expériences menées conduisirent cependant Messerschmitt à concevoir un appareil susceptible de devenir le chasseur de la Luftwaffe supérieur à tous les autres, amis ou ennemis. Les critères étaient simples à définir : l'avion devait surclasser en vitesse, en autonomie et en puissance de feu, le Focke-Wulf Fw 190 D-9 et les derniers modèles de Supermarine Spitfire. Le 24 juin 1942, le Me 309 V-1 quittait le hall de montage d'Augsburg-Haunstetten ; il semblait posséder toutes les qualités souhaitées pour devenir le chasseur " complet " de la Luftwaffe : monoplan ailes basses entièrement métallique, train d'atterrissage tricycle, cabine pressurisée et radiateur rétractable en vol. Malgré l'optimisme suscité par ces caractéristiques prometteuses, les essais en vol du 5 août 1942 furent décevants, le train d'atterrissage provoquant des difficultés et l'huile atteignant des températures interdites. Après modifications, l'appareil fut confié le 20 novembre de la même année au pilote d'essai Beauvais. Ses conclusions ne furent pas satisfaisantes ; le Me 309 possédait sans doute d'incontestables qualités, mais il n'était pas au point et certainement pas en mesure de remplacer un quelconque chasseur existant. Pourtant, sa vitesse supérieure de 50 Km/h à celle d'un Messerschmitt Me 109 et son important armement, composé d'un canon de 30 mm (moyeu de l'hélice), de deux canons de 20 mm (capot) et de quatre mitrailleuses de 13 mm (ailes) auraient suffi pour le faire admettre à la production en série. Et Adolf Galland, à qui on avait présenté l'appareil le 11 novembre 1942 avait déclaré " qu'il pourrait sortir quelque chose de cette machine ". Malheureusement, trop d'imperfections secondaires nécessitaient une nouvelle mise au point. A la fin novembre, la roue avant du Me 309 V-2 céda sous le poids de l'appareil, qui piqua du nez et se brisa en deux. Le troisième prototype (Me 309 V-3) fut utilisé essentiellement pour l'essai d'instruments et d'équipements de bord destinés au Me 262. Le Me 309 V-4 fut expérimenté en juillet 1943 uniquement pour tester l'armement. Willy Messerschmitt et les observateurs de la Luftwaffe qui avaient suivi les essais du Me 309 invitèrent alors le R.L.M. à venir constater le résultat des travaux. Tout fut préparé afin d'amener hommes et matériel sur l'aérodrome de Leipheim ; mais sur ces entrefaites, des chasseurs américains abattirent le Me 309 V. En 1945, peu avant la fin de la guerre, le régiment Normandie Niemen opérant sur le front russe eut probablement à rencontrer un Me 309 en opération, selon les pilotes de ce célèbre régiment. L'issue de la guerre ne faisait alors plus de doute, et Messerschmitt ne trouva plus l'occasion ni le temps de mettre au point un cinquième prototype. Il y avait cependant sur la table à dessin un autre projet : réunir le fuselage deux Me 309 sous la désignation Me 609, l'Arado Ar du P-82 Twin Mustang. Des difficultés rencontrées en cours de réalisation ne permirent pas d'effectuer le montage complet de ces jumeaux, engin théoriquement capable de transporter deux bombes d'une tonne chacune.