Опыт боев в небе Китая и на Халхин-Голе заставил пересмотреть состав оборонительного вооружения. Это привело, как говорилось выше, к варианту Ки-21- Ib. К трем 7,7-мм пулеметам добавили четвертый для стрельбы через бортовые окна в хвостовой части фюзеляжа. Был принят пулемет и в кинжальной установке, испытанной на первом предсерийном экземпляре. Бензобаки были частично протектированы резиной. Было введено бронирование мест экипажа. Более существенными изменениями стали увеличение бомбоотсека, увеличение площади закрылков и установка нового оперения большей площади.
Завод в Нагое успел выпустить 120 Ки-21-lb, когда появилась новая модификация - Ки-21-1с. Бомбардировщик получил дополнительный пулемет в боковом окне, была обеспечена возможность установки в заднем бомбоотсеке 500-л бака - запас топлива возрос до 3135 л. При установке этого бака четыре 50 кг авиабомбы подвешивались на внешних держателях. Увеличение взлетного веса привело к усилению стоек шасси и увеличению диаметра колес. Всего в Нагое было выпущено 160 Ки-21-1с. Последний из них стал 423 самолетом, построенным Мицубиси и сданным в декабре 1940 г. Завод в Оте закончил выпуск Ки-21-1с через два месяца - в феврале 1941 г, поставив 351 самолет.
Ки-21 -lb и 1с быстро сменили 1а в авиаподразделениях первой линии в северном Китае и на базах в Маньчжурии. Снятые с вооружения самолеты передавались в летные школы в Хамацу и в других городах или переделывались в транспортные. Последние использовались как в интересах ВВС, так и в составе корпорации "Дай Ниппон коку" ("Авиалинии Великой Японии"). Причем корпорация использовала их в основном на воинских перевозках между Японией и материком под обозначением MC-21-I.
Некоторые самолеты переделывались в ремонтных мастерских. Модификация состояла в снятии вооружения, блокировании створок бомболюка и в удалении верхнего фонаря стрелка. Хотя самолет предназначался в основном для перевозки срочных грузов, был также вариант для перевозки 9-10 десантников на брезентовых сидениях. Первый MC-21-I поступил в "Дай Ниппон коку" в феврале 1940 г. под бортовым номером J-BFOA и был назван "Хией".
Хотя ВВС были в целом удовлетворены данными бомбардировщика Мицубиси, в ноябре 1939 г на испытания поступил Ки-49 "Донрю" фирмы Накадзима, который предназначался ему на смену. Тем временем воздушный штаб потребовал дальнейших модернизаций Ки-21 в отношении увеличения скорости и потолка. Причем это предлагалось сделать без остановки сборочных линий! Двигатели "тип 97" было решено заменить на новые 14-цилиндровые Ха-101 фирмы Мицубиси ("армейский тип 100") мощностью 1500 л. с. на взлете при 2450 оборотах. На высоте 2600 м мощность составляла 1540 л. с., а на 4600 м - 1340 л. с. Эти двигатели с винтами Сумитомо-Гамильтон большего диаметра (3.4 м вместо 3.2 м) были установлены на первом серийном Ки-21-Ic, который послужил прототипом для нового Ки-21-II.
Увеличение диаметра мотогондол вследствие большего поперечного сечения новых двигателей послужило удобным случаем полностью убрать колеса шасси в гондолы. Вновь была увеличена площадь стабилизатора. Для сохранения центровки главному лонжерону придали стреловидность в 2,5°, а стреловидность по передней кромке составила 10°. Были введены еще небольшие подкрепления, но в целом конструкция бомбардировщика изменилась незначительно. Летные испытания начались в марте 1940 г и были ободряющими - скорость возросла до 478 км/ч на высоте 4400 м (увеличение на 46 км/ч), высота в 6000 м набиралась за 13,2 мин, а потолок поднялся до 10000 м. Мицубиси тут же получила требование от воздушной) штаба запустить Ки-21-На ("тяжелый бомбардировщик армейский тип 97 модель 2А") в серию на заводе в Нагое. Первые четыре самолета были представлены для войсковых испытаний в декабре 1940 г.
Поставки Ки-21-II в армию набирали "обороты" в течение первых месяцев 1941 г, и большинство соединений успели перевооружиться на новую модель еще до начала войны на Тихом океане. Уже готовясь к войне, по плану боевых действий 3-я хикосидан была нацелена на поддержку сил вторжения в Малайе и Бирме. В ее составе были сентаи NN 12, 60, 92. Но полностью передислоцироваться из Китая в Индокитай дивизия не успела. Боевые действия велись в очень тяжелых условиях - не хватало запчастей из-за удаленности от Японии и трудностей с их доставкой. К тому же основная база дивизии - аэродром в Пномпене - была выведена из строя из-за проливных дождей. Однако одно из подразделений, расположенное в Сайгоне, сумело успешно поддержать высадку войск в Кота-Бхару.