Ki-21 победил на конкурсе, устроенном японскими ВВС в начале 1936 г., и первый из пяти прототипов был укомплектован в ноябре того же года. С улучшенными секторами пулеметного огня и 850-сильными двигателями «Накадзима», заменившими «Мицубиси Кинсей» первого прототипа, самолет был принят к производству как тяжелый бомбардировщик Ki-21-Iа или тип 97. В 1937 г. самолет поступил на вооружение японских ВВС, и в 1938 г. «Накадзима» стал принимать участие в производственной программе, поставив в августе свой первый Ki-21. Модель IА вскоре сменилась моделью IB, в которую были внесены изменения, ставшие результатом боевого опыта, полученного в конфликте с Китаем. Была увеличена бронезащита экипажа, усилено оборонительное вооружение, увеличены размеры закрылков и бомбового отсека. На модели IС увеличили запас топлива и поставили еще один бортовой пулемет. Более широкий размах крыльев хвостового оперения появился на модели 2А. «Мицубиси» начал модернизировать эту серию в конце 1939 г., заменив двигатели на 1490-сильные. Ki-21 был стандартным армейским бомбардировщиком в период нападения на Пёрл-Харбор, одновременно действуя в Бирме, Гонконге, Индии, Малайе, голландской Вест-Индии и на Филиппинах. Кодовое название союзников было «Сэлли», хотя модель 2B называли «Гвен», пока не распознали в ней вариант Ki-21. Модель 2B была последней в производственной серии уже устаревшего бомбардировщика, узнаваемого по турели, заменившей прежнюю «парниковую теплицу» на ранних моделях. Многие Ki-21 такого облика были сняты с вооружения для переоборудования либо в учебные, либо в транспортные самолеты. Незадолго до окончания войны 9 Ki-21 были подготовлены в качестве транспортников для наступления на Куюси, для перевозки наступательных соединений на Окинаву, но лишь один самолет долетел до пункта назначения. В сентябре 1944 г., выпустив 1713 на «Мицубиси» и еще 351 на заводах «Накадзимы», производство свернули. Более 500 транспортных двойников Ki-21 «Мицубиси» построил под индексом МС-20. Предложения по Ki-21-III отложили в пользу Ki-67.
G4М был ответом на требование японского ВМФ «дальность полета любой ценой», предъявленное в 1939 г. к двухмоторному среднему бомбардировщику. Киро Хонджо, руководитель проекта, мог выполнить это требование только одним путем – закачивать в крылья столько топлива, что никакой защиты для топливных баков и экипажа не предусматривалось. Затем, после полета прототипа G4М1 в октябре 1939 г., конструкторы «Мицубиси» получили указания адаптировать дизайн под качества самолета сопровождения бомбардировщиков с усиленной бронезащитой и экипажем из 10 человек. Было построено 30 машин этой серии, однако во время испытаний японский ВМФ признал их летные качества неподходящими, и проект был заброшен. Самолеты использовались как учебные и транспортные. К концу марта 1941 г. облетали еще 14 бомбардировщиков, и в апреле эта серия была принята на вооружение ВМФ в качестве атакующего бомбардировщика наземного базирования. На самолете была установлена единственная 200-мм хвостовая пушка и 7,7-мм пулеметы в носовой и дорсальной позициях и нижней части фюзеляжа; двигатели были 1530-сильные радиальные «Мицубиси Кинсей». Самолет использовался японцами в предвоенных операциях на юго-востоке Китая, а к моменту вступления Японии во Вторую мировую войну на вооружении ВМФ было около 180 машин. Поначалу они имели некоторый успех, но 5000 литров незащищенного топлива в баках делали их в высшей степени уязвимыми. У американских пулеметчиков они получили прозвище «зажигалки с одного щелчка». Спустя три месяца после особенно тяжелых потерь в кампании на Соломоновых островах «Мицубиси» приступил к работе над моделью 22. У нее было улучшено вооружение и установлены 1850-сильные двигатели «Кинсей» с впрыском метанола; запас топлива был увеличен, но баки оставались незащищенными. Тем не менее G4М2 стал основной производственной моделью, появившись в пяти различных версиях: одна имела выпуклые бомбовые люки и двигатели «Кинсей 25», другая – «Кинсей 27», третья – два 20-мм и четыре 7,7-мм пулемета, на четвертой испытывали турбореактивный двигатель, а на пятой установили четыре 20-мм и один 7,7-мм пулемет. Модель 24-J позднее приспособили к несению пилотируемой камикадзе летающей бомбы «Охка». В конце 1943 г., перед лицом продолжающихся потерь, «Мицубиси» построил 60 самолетов новых серий с уменьшенным запасом топлива (4400 л) в полностью защищенных баках, помещенных в значительно измененных крыльях. Общее число выпущенных G4М (союзники называли их «Бетти») составило 2475 самолетов, многие из которых были к концу войны переделаны в 20-местные транспортники. Испытательные полеты модели 37 с нагнетателями, работавшими от выхлопных газов, были частично закончены как раз перед победой над Японией.