Пока Ки-46 проходил испытания, Мицубиси разработала улучшенный вариант двигателя Ха-26-1 с двухскоростным нагнетателем - Ха-102, выдававший на взлете 1080 л.с. и 1055 л.с. на боевом режиме на высоте 2800 м. Ожидалось, что с новыми двигателями Ки-46 сможет выполнить требования задания по скорости, и Мицубиси получила приказ срочно подготовить под них Ки-46-II. До готовности нового варианта предсерийные Ки-46-I поступили на вооружение армейской летной школы в Симосицу. Они использовались для подготовки пилотов и войсковых испытаний. 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- 46-11. 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- 46-11 практически не отличалась от Ки-46-1, 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 "докурица 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-П 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 - "Спитфайры’’-V, потери Ки-46-II резко возросли. К счастью для японцев, воздушный штаб армии уже предвидел такую ситуацию и уже в мае 1942 выдал Мицубиси заказ установить на новый вариант самолета Ки-46-III двигатели Ха-112-II 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. Мотогондолы были также слегка увеличены из-за большего диаметра двигателей Ха-112-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.