Учитывая географическое положение Японии и обширность районов планируемых боевых действий, японская императорская армия требовала от воздушных разведчиков сочетания высокой скорости с большой дальностью полета. В 1937 г, почти сразу после выхода задания на Ки-15, воздушный штаб армии в лице майора Фуджиты и инженеров Танаки и Андо начал готовить спецификации на самолет следующего поколения в этом классе. 12 декабря 1937 г эти спецификации были переданы на фирму Мицубиси. От самолета требовалась большая дальность полета и способность уходить от перехвата истребителями. Самолет должен был в течение шести часов идти со скоростью 400 км/ ч на высотах 4000-6000 м. Максимальная скорость задавалась в 600 км/ч. Вооружение должно было состоять из одного 7,7-мм пулемета "тип 89" в задней части кабины. Мицубиси могла сама выбрать конфигурацию самолета: одно- или двухдвигательную. Двигатель можно было выбрать среди Накадзимы Ха-20Ь мощностью 790 л.с., Накадзимы Ха-25 мощностью 950 л.с. и Мицубиси Ха-26 мощностью 850 л.с. Для достижения столь высоких летных данных фирма освобождалась от каких-либо других, обычных в подобных спецификациях требований.
К моменту начала предварительной проработки Ки-46 Томно Кубо имел опыт работы над проектом Ки- 39 - двухместного, двухмоторного дальнего истребителя, конкурировавшего с Кавасаки Ки-38, и над проектом разведчика на его базе. Кроме того, Томио Кубо тесно сотрудничал с авиационно-исследовательским институтом университета в Токио, где были разработаны аэродинамически очень чистые капоты под двигатели Мицубиси Ха-26 - 14-цилиндровые "звезды". Капоты не только улучшили обзор пилоту в стороны и снизили воздушное сопротивление, они также позволили полностью убрать стойки шасси в мотогондолы. Для достижения столь высоких летных данных Кубо выбрал очень тонкий профиль крыла и фюзеляж минимального диаметра. Топливо располагалось в большом баке вблизи центра масс самолета, так что пилот и стрелок- радист размещались в отдельных кабинах, разделенные баком. Проектирование самолета продвигалось медленно, так как потребовались продувки в аэродинамической трубе авиационного института. Самолет был выпущен заводом в Нагойе только в начале ноября 1939 г.
В первый полет самолет поднял майор Фуджита - тот самый, который разрабатывал спецификации на машину. Самолет был оснащен двумя двигателями Мицубиси Ха-26-I мощностью на боевом режиме 900 л.с. на высоте 3600 м. Винты были трехлопастные, изменяемого шага. Опытный самолет показал себя вполне удовлетворительно, и хотя максимальная скорость была только 540 км/ч на высоте 4000 м - на 60 км/ч ниже задания, самолет был хорошо принят армией, так как он все равно превосходил по скорости Ки-15-I и не уступал даже истребителю А6М2, только что принятому на вооружение флота. Разведчик был запущен в производство под обозначением "разведывательный самолет армейский тип 100 модель 1" Ки-46-I.
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.