Во время войсковых испытаний удалось решить ряд мелких проблем, но в целом пилоты и обслуживающий персонал решили, что новый самолет оказался гораздо более сложным, чем его предшественник Ки-15, и его довольно трудно эксплуатировать в полевых условиях. Пары топлива довольно часто блокировали работу топливопроводов, особенно в условиях жаркого и влажного климата. На Тайване в июне 1940 г были проведены специальные испытания Ки-46-I, а в июне 1941 г - уже с Ки-46-II. В результате с 87-октанового бензина перешли на 92-октановый, а проводку топливопроводов в районе двигателей изменили. Пилоты отмечали, что в длительных полетах на рабочей высоте масло перегревалось, что требовало медленного набора высоты, реакция на элероны была замедленной, а руль высоты - неэффективен. Кроме того ненадежной оказалась кислородная система экипажа. Однако главной проблемой оказалось шасси - из-за резких провалов самолета на выравнивании дело часто доходило до подлома стоек. Несмотря на введение заднего усиливающего подкоса, стойки шасси были в прямом смысле слова слабым местом самолета за весь период его карьеры. Однако все эти проблемы не мешали самолету летать - он быстро пошел в серию, а недостатки, в основном, удалось решить последовательными доработками.
Первый Ки-46-II с двигателем Ха-102 полетел в марте 1941 г и в самом начале испытаний показал скорость 604 км/ч на высоте 5800 м, что даже превосходило цифру задания. Так как конструкция планера Ки-46-Il практически не отличалась от Ки-46-I, испытания проходили очень быстро. По мере разворачивания серийного производства, начиная с июля 1941 г, самолет стал поступать на вооружение 18-й, 50-й, 51-й, 70-й, 74-й, 76-й и 81-й "докури ца дай сиджуго чутайс" (отдельных эскадрилий) в Маньчжурии и Китае. Высокая скорость Ки-46 позволяла ему уходить от тех немногих истребителей, которыми располагали китайские ВВС. С началом подготовки к войне на Тихом океане Ки-46-II были выдвинуты во французский Индокитай. 20 и 22 октября 1941 г штабной офицер капитан Икедо произвел доразведку района высадки в Малайе, который был выбран японским верховным командованием. С началом боевых действий небольшие подразделения Ки-46 были размещены по всей Юго-Восточной Азии. "Армейский тип 100" выполнял свои задания практически не опасаясь перехвата истребителями союзников. Без наведения с помощью локатора устаревшие истребители американцев и англичан просто не успевали вовремя набрать нужную высоту. Такие достоинства самолета привлекли к нему внимание флота, который добился получения нескольких машин. Эти флотские машины использовались с Северного Тимора для разведки Северной Австралии, в то время, когда армейские Ки-46 действовали вплоть до Бенгальского залива.
Когда американцы стали применять на Тихом океане "Лайтнинги" P-38F, а англичане в районе Дарвина - "Спит-файры''-V, потери Ки-46-ll резко возросли. К счастью для японцев, воздушный штаб армии уже предвидел такую ситуацию и уже в мае 1942 выдал Ми-цубиси заказ установить на новый вариант самолета Ки-46-IIl двигатели Ха-112-11 мощностью 1500 л.с. Максимальная скорость при этом требовалась в 650 км/ч в течение одного часа. Кроме того следовало увеличить продолжительность полета, что вместе с большей "прожорливостью" новых двигателей заставило перепроектировать топливную систему. Перед пилотом был установлен еще один бак, что увеличило запас топлива с 1675 до 1895 л. Была предусмотрена подвеска подфюзеляжного сбрасываемого топливного бака на 460 л. Мотогопдолы были также слегка увеличены из-за большего диаметра двигателей Ха-1 12-II - переделки Ха-102 под непосредственный впрыск топлива. Стойки шасси были усилены. Оборонительный же пулемет в задней части кабины уже не ставился - на предыдущих моделях он хотя и был предусмотрен, обычно в полевых частях снимался. Внешне новая модель отличалась новым фонарем кабины пилота - уже без уступа в носу, как на первых модификациях.
Первые два Ки-46-Ill были готовы в декабре 1942 г. После ускоренных испытаний самолет был запущен в серию под обозначением "разведывательный армейский самолет, тип 100, модель 3". Ки-46-llI выпускался на заводе в Нагое вместе с предыдущей моделью -производство Ки-46-П было прекращено только в конце 1944 г, составив 1093 самолета. Однако в декабре 1944 г завод пострадал от землетрясения, а последующие налеты американских В-29 заставили перевести работы на новый завод в Тояма, где построили еще сотню самолетов. Последние серийные Ки-46-1II производства заводов в Нагойе и Тояме получили реактивные патрубки, что несколько улучшило скоростные данные самолета. Всего было выпущено 609 Ки-46-111.
Ки-46-III поступали в первую очередь в те районы, где союзники установили превосходство в воздухе, причем они часто использовались вместе с предыдущей моделью - Ки-46-II, которую так полностью и не заменили. После решения мелких проблем с системой впрыска топлива на Ха-112-II Ки-46-111 показал отличные летные данные прежде всего на высотах 8000-10000 м. Самолет оказался трудным для перехвата - шанс имели только истребители с максимальной скороподъемностью, наводимые по данным локаторов. Все это позволяло японскому разведчику выполнять свои задачи даже над такими хорошо защищенными базами, как аэродромы В-29 на Марианских островах. Однако к концу войны потери Ки-46 все же стали резко нарастать.