Когда испытания в Тачикаве вновь продолжились осенью 1937 г, обновленный Ки-21 показал полное превосходство над своим конкурентом. В ноябре 1937 г армия передала контракт фирме Мицубиси. Самолет получил обозначение "тип 97" - "тяжелый бомбардировщик армейский тип 97 модель 1А" (Ки-21-Ia). Кроме двух прототипов Ки-21 с двигателями Ха-5 для повторных испытаний на 5-м авиационном заводе были заложены еще 4 предсерийных самолета. Так высока была уверенность фирмы в получении контракта! Эти самолеты довольно быстро поступили на испытания оборудования и вооружения. Первый из них, поставленный еще до конца 1937 г, использовался для испытания оборонительного вооружения. В частности, проводились испытания вновь установленного "жала" - кинжальной, дистанционно управляемой установки под 7,7-мм пулемет в хвостовой части фюзеляжа. Были установлены и боковые пулеметы. Этот вариант вооружения был использован на более поздних сериях бомбардировщика.
Первые серийные Ки-21-Ia внешне не отличались от третьего прототипа. В качестве силовой установки были выбраны двигатели Ха-5 - "армейский тип 97" мощностью в 950 л. с. при 2400 оборотах у земли и 1080 л. с. на высоте 4000 м. Запас топлива был увеличен с 1840 л до 2635 л. Оборонительное вооружение состояло из трех 7,7-мм пулеметов. Таким был самолет, с помощью которого императорская армия пыталась изменить баланс сил на Дальнем Востоке.
"Японо-китайский инцидент" развился в полномасштабную войну, в которой основную тяжесть борьбы за превосходство в воздухе несла авиация флота. Как следствие были предприняты все попытки, чтобы ускорить поставки Ки-21 в армейские ВВС. Дополнительно был заключен контракт с Мицубиси на выпуск Ки-21 по лицензии на заводе в Оте. Поставки самолетов начались с завидной оперативностью - из Нагои уже весной 1938 г, а из Оты в августе того же года. Тогда же началось и формирование первого хико сентая №60, вооруженного новыми бомбардировщиками. Соединение вскоре было направлено в Китай.
60-й сентай из 30 Ки-21-1а прибыл на место назначения еще в 1938 г, где он присоединился к 12-у и 98-у сентаям, оснащенных бомбардировщиками "Фиат" БР.20. В течение зимы 38-39 гг все три авиагруппы были задействованы в активных боевых действиях, в результате которых к итальянскому бомбардировщику стали предъявлять ряд претензий, в том числе необоснованных. Действительно, действуя на пределе своего тактического радиуса, без истребительного прикрытия, БР.20 попали в самую настоящую мясорубку. Потери были столь высоки, что через три месяца оба сентая, оснащенные данным типом самолета, были выведены из зоны боевых действий, и единственным дальнебомбардировочным соединением армейских ВВС стал 60-й сентай с Ки-21.
Бомбардировщик проявил себя лучше, чем "итальянец". Это можно было бы объяснить лучшим взаимодействием экипажей 60-го сентая, которые удерживали более тесный боевой порядок в районе цели в сочетании с умелым использованием взаимной поддержки огнем. Но скорее причина была в том, что Ки-21 мог выдержать повреждения от большого числа пуль обычного калибра, которые были бы губительны для БР.20. В отличие от "итальянца", Ки-21 действовали не на пределе своей дальности, и к ним имелось достаточно запчастей, а БР.20 часто простаивали в ожидании ремонта. Тем не менее потери и среди Ки-21 при дневных налетах без истребительного прикрытия были достаточно тревожными. В результате оборонительное вооружение следующего варианта Ки-21 -lb было усилено. Завод в Нагое перешел на новый вариант в августе 1939 г, начиная со 144 машины, а завод в Оте - до конца года.
Тем временем, на базе бомбардировщиков Ки-21 были сформированы 58-й и 61-й сентаи. Они вступили в строй к началу лета в составе 2-й "хико сидан" (авиадивизии) в Маньчжурии для действий против Китая. Однако уже к 31 мая потребовалось перебросить 12 Ки- 21 из состава 61-го сентая на Номонганское плато, к монгольской границе. Здесь "номонганский инцидент" уже перерос в настоящую войну между советско-монгольскими и японскими войсками. Вместе с дюжиной БР.20 из 12-го сентая Ки-21 впервые пересекли реку Халхин-Гол 27 июня. Это был массированный налет на аэродром Тамцак-Булак советского истребительного полка. Всего в налете участвовали 23 бомбардировщика и 70 истребителей. По советским данным были сбиты два бомбардировщика. Один Ки-21 совершил вынужденную посадку из-за отказа двигателя в пустыне около Тамцак-Булака и стал трофеем советских войск.
Впоследствии Ки-21 действовали весьма интенсивно - между 3 и 10 июля, поддерживая свои войска в Баин-Цаганском сражении, они вместе с БР.20 сбросили 174 тонны бомб. Но уже вскоре экипажи 61-го сентая стали испытывать сильную усталость, так как боевые действия в Китае исключали ротацию экипажей. Кроме того, экипажи Ки-21 страдали от кислородного голодания из-за низкой надежности кислородного оборудования, а плотный огонь ПВО советско-монгольских войск заставлял действовать только на больших высотах. Вскоре 61-й сентай был выведен из зоны боев. Несмотря на интенсивное использование в условиях превосходства советской авиации, потери составили три сбитых Ки-21. Еще три не подлежали восстановлению.