Серийные Ки-27а подобно самолетам опытной партии получили крыло увеличенной площади, более привычный козырек фонаря, металлический неостекленный гаргрот за кабиной и более мощный двигатель Накадзима Ха-lb, развивавший на высоте 2900 м 780 л.с. Самолет был вооружен двумя синхронными 7,7-мм пулеметами «тип 89». На всех машинах ставились радиоприемники, а на самолетах командира звена - передатчики. В марте 1938 г самолет появился в небе Китая, что позволило армейской авиации наконец добиться безусловного превосходства над китайскими ВВС. Почти одновременно императорская армия решила реорганизовать свои воздушные силы - смешанные части были заменены специализированными сентаями, вооруженными одним типом самолета. Первым из них 1 июля 1938 г стал 59-й истребительный сентай, вооруженный как раз «типом 97». По мере поступления новых Ки-27 были введены в строй с этим типом еще и 64-й, 13-й, 4-й, 5-й и 11-й сентай. По мерю разворачивания серийного производства Ки-27а был сменен на сборочной линии на Ки-27Ь, отличавшийся фонарем кабины с круговым обзором и переделанным маслорадиатором. Под центропланом теперь можно было подвесить четыре 25-кг авиабомбы. Вместо бомб можно было подвесить два 130-л дополнительных сбрасываемых бака. Для стрелковой подготовки под корневой частью левого крыла можно было установить фотопулемет. Производство Ки-27Ь также было налажено на «Манею хикоки сейзо К.К.» в Харбине. Всего было выпущено 3399 Ки-27, включая 1379, выпущенных на Манею в Маньчжурии.
Когда 4 мая 1939 на монгольской границе вспыхнул конфликт в районе реки Халхин-Гол (или называемый японцами «наманганский инцидент»), японская армия направила туда помимо других авиачастей пять истребительных сентаев - 1-й, 11-й, 24-й, 59-й и 64-й - всего 80 самолетов. По мере расширения боевых действий количество японских истребителей в этом районе возросло до 200 машин, включая даже несколько Ки-10. Во время воздушных боев Ки-27 показал безусловное превосходство над бипланами Поликарпова И- 15бис и даже имел преимущество над только что выпущенным И-153, но зато «тип 97» уступал в скоростных характеристиках И-16, особенно на высотах ниже 5000 м. Ки-27 по свидетельству советских пилотов в боевой обстановке не могли развивать скорость выше 400 км/ ч, а высота вертикального пикирования ограничивалась 500-600 м. На больших скоростях начиналась Ощутимая вибрация крыла, а порой и разрушение конструкции. Так что советские истребители всегда могли выйти из боя крутым пикированием. В целом потери японцев на Халхин-Голе оказались очень чувствительными: кроме самолетов были потеряны опытные пилоты, которых и так не хватало - за все время конфликта японцы даже не имели возможность провести ротацию экипажей, несмотря на их усталость.
В декабре 1941 г, когда японцы развязали войну на Тихом океане, истребителем «тип 97» были вооружены 1-й, 11-й, 50-й, 54-й и 77-й сентай, которые поддерживали вторжение на Филиппины, в Бирму, Малайю и Голландскую Ост-Индию. Другие части с Ки- 27 использовались в небе Китая. Несмотря на явное и быстрое старение самолета, он довольно успешно использовался в условиях массового превосходства японской авиации. Более того, самолет поступал и во вновь сформированные на территории Японии части, правда,, перед отправкой на фронт они перевооружались на новые типы. В составе ПВО Японии Ки-27 оставались до 1943 г. На территории Маньчжурии самолет эксплуатировался до конца войны. По мере перевооружения на Ки-43, Ки-44 и Ки-61, «тип 97» все больше использовался в качестве самолета повышенной подготовки пилотов-истребителей. На учебных истребителях с колес шасси снимались обтекатели, хвостовой костыль заменялся на колесо. В таком виде самолет получил обозначение «учебный истребитель армейский тип 97».