Bf 109战斗机是二战德军的主力战斗机，从开战一直使用到德军投降，它被认为是二战期间最好的螺旋桨战斗机之一。不过在1940年的不列颠空战中，Bf 109与性能相当的英军喷火式战斗机交手，后者给德军造成不小的损失，促使德国加紧研制下一代继任战机，Me 309就是其中一个项目。
其实梅塞施密特公司较早认识到Bf 109的性能无法占据绝对优势，早就计划研发下一代替代机型，只是空军部一开始对这件事没什么积极性，导致项目进展缓慢，到1941年时才大力发展。
Me 309也是一架螺旋桨式战斗机，不过设计师在它身上融入了大量的新技术，并且强化了打击火力。因为某些技术还需要得到验证，设计师先在4架Bf 109F上进行测试，然后计划建造9架Me 309的原型机。
Me 309使用一台戴姆勒-奔驰DB 603G型倒置V12液冷发动机作为动力，它可以输出1726马力，驱动三桨叶螺旋桨，预计比Bf 109G型还要快50千米/小时，最大飞行速度约730千米/小时。为了获取更好的高空飞行性能，战机驾驶舱改为气泡式的加压座舱，机腹安装可伸缩的散热器。
该机没有采用螺旋桨战机常用的后三点式起落架，而是改为前三点式，主起落架支撑点在机翼下，间距较大，前起落架支撑点比较靠前，它向后折叠收入发动机舱下方，不过因为机轮尺寸的问题，在收入之前起落架需要先扭转90°，让机轮横过来平着收入。
二战时战斗机的火力一直在增强，Me 309的火力配置也很凶猛，它包括2门MG151 20毫米航炮，4挺MG131 15毫米航空机枪，它们分别安装在两侧机翼上，另外还计划安装1门MK 108 30毫米航炮，可能会安装在桨毂内或者发动机舱上方。
梅塞施密特公司还计划以Me 309为基础发展出Me 309E俯冲轰炸机、Me 409双机身战机、Me609重型战斗机等型号，不过德国空军对Me 309并不是很感兴趣，因为它存在太多问题。
过多运用先进技术的代价就是可靠性差，飞机的前起落架复杂的运动过程就是一大麻烦，摆动故障时有发生，以至于不得不用后续的原型机零件来保障前几架原型机的使用。发动机的冷却系统同样故障频发，第一架原型机Me 309V1第一次飞行只持续了7分钟，就是因为冷却设备故障的原因。
从预计的性能上来看Me 309确实比Bf 109略微强一点，但是这点优势在另外一款喷气式战斗机Me 262面前简直不值一提，在这种对比之下相信任何人都会选择具有划时代意义的喷气式战斗机，事实证明这个选择是正确的。
Me 309战斗机空重约3500千克，机长9.46米，高3.9米，翼展11.04米，最大飞行速度约730千米/小时，巡航速度665千米/小时，最大飞行高度12000米。