[2]​ Se solicitó a las compañías Mitsubishi Jūkōgyō y Nakajima Hikōki K.K.

Así modificado, el Ki-21 demostró prestaciones superiores y se ordenó su producción en noviembre de 1937.

[6]​ El "incidente chino-japonés" se convirtió en una guerra a gran escala, en la que el Servicio Aéreo de la Armada Imperial Japonesa se llevó la peor parte de la lucha por la superioridad aérea.

Por lo que adicionalmente, y debido a ello, se firmó un contrato con la compañía Nakajima para la producción del Ki-21 bajo licencia en su planta de Ota.

[8]​[9]​ La experiencia operacional en China, mostró ciertas deficiencias en el armamento defensivo, lo que condujo al mejorado Ki-21-Ib con cuatro, en lugar de tres ametralladoras, asimismo se amplió la bodega de bombas para obtener mayor capacidad.

El desarrollo de este modelo continuó con cuatro prototipos Ki-21-II con motores más potentes Mitsubishi Ha-101 y que en entraron en producción como Ki-21-IIa conservando el mismo armamento que la versión anterior.

Durante la segunda guerra sino-japonesa, el Ki-21-Ia fue utilizado en combate por el 60.º Sentai a partir del otoño de 1938.

Dos Sentai más, el 58.º y el 61.º, se desplegaron en Manchuria en el verano de 1939 para realizar operaciones sobre China, y por otro lado los aparatos del 61.o Sentai también se usaron intensamente contra las fuerzas soviéticas y mongolas durante el llamado por los japoneses Incidente de Nomonhan en junio-julio de 1939.

El Ki-21-Ib fue una versión mejorada diseñada para abordar el problema del armamento al aumentar el número de ametralladoras Tipo 89 cal.

En un intento de compensar parcialmente sus deficiencias, se introdujo el Ki-21-IIb con una torreta superior accionada por pedales y cadena con una ametralladora Ho-104 cal.

Se enviaron doce Ki-21-IIb del Daisan Dokuritsu Hikōtai , con catorce hombres cada uno; cuatro aviones abortaron la misión debido a problemas con sus motores y tres más fueron derribados por la artillería antiaérea.

Designado MC-20-I , a estos aviones se les retiró el armamento y equipo militar siendo utilizados principalmente como transporte de carga y pasaje, para lo que cada uno contaba con 8 plazas.