Bf 109戰鬥機是二戰德軍的主力戰鬥機，從開戰一直使用到德軍投降，它被認為是二戰期間最好的螺旋槳戰鬥機之一。不過在1940年的不列顛空戰中，Bf 109與性能相當的英軍噴火式戰鬥機交手，後者給德軍造成不小的損失，促使德國加緊研製下一代繼任戰機，Me 309就是其中一個專案。
其實梅塞施密特公司較早認識到Bf 109的性能無法佔據絕對優勢，早就計畫研發下一代替代機型，只是空軍部一開始對這件事沒什麼積極性，導致專案進展緩慢，到1941年時才大力發展。
Me 309也是一架螺旋槳式戰鬥機，不過設計師在它身上融入了大量的新技術，並且強化了打擊火力。因為某些技術還需要得到驗證，設計師先在4架Bf 109F上進行測試，然後計畫建造9架Me 309的原型機。
Me 309使用一台戴姆勒-賓士DB 603G型倒置V12液冷發動機作為動力，它可以輸出1726馬力，驅動三槳葉螺旋槳，預計比Bf 109G型還要快50千米/小時，最大飛行速度約730千米/小時。為了獲取更好的高空飛行性能，戰機駕駛艙改為氣泡式的加壓座艙，機腹安裝可伸縮的散熱器。
該機沒有採用螺旋槳戰機常用的後三點式起落架，而是改為前三點式，主起落架支撐點在機翼下，間距較大，前起落架支撐點比較靠前，它向後折疊收入發動機艙下方，不過因為機輪尺寸的問題，在收入之前起落架需要先扭轉90°，讓機輪橫過來平著收入。
二戰時戰鬥機的火力一直在增強，Me 309的火力配置也很兇猛，它包括2門MG151 20毫米航炮，4挺MG131 15毫米航空機槍，它們分別安裝在兩側機翼上，另外還計畫安裝1門MK 108 30毫米航炮，可能會安裝在槳轂內或者發動機艙上方。
梅塞施密特公司還計畫以Me 309為基礎發展出Me 309E俯衝轟炸機、Me 409雙機身戰機、Me609重型戰鬥機等型號，不過德國空軍對Me 309並不是很感興趣，因為它存在太多問題。
過多運用先進技術的代價就是可靠性差，飛機的前起落架復雜的運動過程就是一大麻煩，擺動故障時有發生，以至于不得不用後續的原型機零件來保障前幾架原型機的使用。發動機的冷卻系統同樣故障頻發，第一架原型機Me 309V1第一次飛行只持續了7分鐘，就是因為冷卻設備故障的原因。
從預計的性能上來看Me 309確實比Bf 109略微強一點，但是這點優勢在另外一款噴氣式戰鬥機Me 262面前簡直不值一提，在這種對比之下相信任何人都會選擇具有劃時代意義的噴氣式戰鬥機，事實證明這個選擇是正確的。
Me 309戰鬥機空重約3500千克，機長9.46米，高3.9米，翼展11.04米，最大飛行速度約730千米/小時，巡航速度665千米/小時，最大飛行高度12000米。
