В таком виде к сентябрю 1941 г были выпущены еще семь опытных машин (N 4404-4410). Фонарь кабины состоял уже из двух секций - задняя сдвигалась назад, стойка радиоантенны была установлена перед кабиной, руль направления был перепроектирован, была предусмотрена возможность подвески под центропланом двух 130-л дополнительных баков. Подобно опытным машинам, самолеты предсерийной партии получили вооружение из двух синхронных 7,7-мм пулеметов "тип 89" и двух 12,7-мм пулеметов "тип 1" (Хо-103) в крыле. Телескопический прицел выступал за козырек фонаря кабины. Семь предсерийных машин вместе с доработанными вторым и третьим опытными самолетами были сведены в экспериментальную эскадрилью. В ноябре 1941 г эскадрилья была включена в состав группы войск на юге Китая и переименована в 47-ю отдельную эскадрилью. С началом войны на Тихом океане Ки-44 участвовали в боях над Малайей. Эксплуатация нового самолета показала, что он не прост для освоения даже опытными пилотами, привыкшими к хорошо управляемому и маневренному Ки-27. По сравнению с ним "Секи" был "летающим бревном". Для самолета требовалась километровая взлетная полоса, а его высокие посадочная и взлетные скорости были непривычны для пилотов. Правда, пилотам нравилась устойчивость самолета на пикировании, и особенно во время открытия огня. Интересно, что самолет легче осваивался молодыми пилотами, "не отягощенными" опытом полетов на Ки-27 и Ки-43. Кроме того, "Секи" имел ограничения на выполнение бочек, штопора, перевернутого полета на большой скорости, а защита пилота и протектирование баков не спасали от огня стандартных американских крупнокалиберных пулеметов. Тем не менее по результатам сравнительных испытаний с Мессершмиттом Bf-109E предпочтение было отдано именно "Секи".
В апреле 1942 г, после налета на Японию бомбардировщиков полковника Дулиттла 47-я эскадрилья была возвращена в метрополию, где на ее базе развернули 47-й сентай. После решения всех проблем с эксплуатацией самолета он в сентябре 1942 г был наконец принят на вооружение под обозначением "одноместный истребитель армейский тип 2 модель 1"Секи" (Демон)". Одноместный - это чтобы отличить от "армейского типа 2" - двухместного истребителя Кавасаки Ки-45 КАИ. Установочная партия Ки-44 была запущена в серию еще в январе 1942 г. Эти машины, похожие на предсерийную партию, были позже названы "модель 1А" (Ки- 44-1а). Следующей моделью истребителя стал Ки-44- Ib, отличавшийся вооружением из четырех 12,7-мм пулеметов. Стоявший ранее под капотом маслорадиатор был вынесен наружу. Несколько самолетов модели Ки-44-Ic отличались переносом шарнирной створки ниши шасси со стойки на фюзеляж. Всего было выпущено около сорока машин модели Ки-44-I. Один из истребителей этой серии был оснащен опытным двухлопастным соосным винтом Ре.8 диаметром 3 метра.
Хотя Ки-44-I был самым скоростным японским истребителем, он все же не был способен перехватывать новый японский самолет-разведчик "армейский тип 100" (Мицубиси Ки-46). В результате воздушный штаб армии вновь потребовал поднять скорость и скороподъемность истребителя. Нужно было установить более мощный двигатель, и Накадзима выбрала Ха-109 взлетной мощностью 1520 л.с. Диаметр Ха-109 был равен Ха-41, что облегчило установку нового мотора. Начиная с августа 1942 г завод Накадзимы в Оте выпустил пять опытных Ки-44-II и три предсерийных самолета. Несколько машин "модели 2" имели синхронные пулеметы обычного калибра, но в серии "одноместный истребитель армейский тип 2 модель 2В" (Ки-44-IIb) имел планер и вооружение по образцу Ки-44-Ic. Пилот получил 13-мм бронеспинку. Новые истребители поступали в первую очередь в ПВО метрополии, а также для прикрытия нефтяных месторождений на Суматре. Специально для ПВО выпускалась третья модификация истребителя "модель 2С" с 20-мм крыльевыми пушками Хо-3, которая оказалась наиболее опасным противником американских В-29, совершавших налеты на Японию. Правда, эта модель не была массовой. Некоторые Ки-44-IIc получили к паре синхронных 12,7-мм пулеметов две крыльевые 40-мм пушки Хо-301. Эти пушки были сравнительно легким оружием для своего калибра за счет небольшой начальной скорости активно-реактивного снаряда, не имевшего даже гильзы. Боезапас состоял только из 10 снарядов на ствол. Эффективная дальность стрельбы из Хо-301 не превышала 150 м по сравнению с 1000 м для 37-мм пушек Хо- 203, также стоявших на нескольких Ки-44-IIc. Правда, оба типа пушек оказались не особо удачными и использовались ограниченно, например, для штурмовки наземных целей в Бирме. Истребители с 37-мм пушками Хо-203 довольно эффективно использовались 70-м сентаем против американских В-29 в небе Китая. Ки- 44-II последних серий получили индивидуальные выхлопные патрубки двигателей. Одна такая машина была, например, у командира 47-го сентая, другие поступали во 2-ю воздушную армию. 47-й сентай получил известность во время отражения налетов американских В-29 на Токио, когда Ки-44 из его состава удалось сбить пять "сверхкрепостей", в том числе одну таранным ударом. Этот опыт привел к созданию в этой части специального подразделения "Синтен" (Небесная тень), призванного таранить самолеты противника.