Когда в июне 1944 года американские бомбардировщики приступили к бомбежкам Японии, армейская авиация оказалась без перехватчика, способного доставать B-29 на высотах порядка 9000м. Разрабатываемые высотные истребители не могли появиться раньше конца лета 1945 года и в качестве временной меры штаб планировал использовать Ki-61. Однако проблемы с его двигателем Ha-140 не позволяли запустить самолет в серийное производство. Было решено подыскать для Ki-61 новый двигатель, чтобы как можно скорее поставить самолет в строевые части.

К концу 1944 года моторостроительные заводы не выпускали двигателей воздушного охлаждения, имевших относительно небольшой диаметр, позволявший их установку на истребитель. Наиболее подходящим с точки зрения надежности и мощности оказался только двигатель Mitsubishi Ha-112 - 14-цилиндровый двухрядный радиальный двигатель мощностью 1500л.с. Конструкторам пришлось решать задачу установки двигателя диаметром 1,2м на фюзеляж шириной всего 0,84м. Помогло изучение немецкого самолета Focke-Wulf Fw.190, который также имел лобастый двигатель с узким фюзеляжем. Первый из переделанных под новый двигатель Ki-61 полетел 1 февраля 1945 года под обозначением Ki-100-Ia.

По сравнению со своим прототипом, Ki-100 оказался легче на 315кг. В результате маневренность самолета и его управляемость заметно улучшились. Из-за возросшего лобового сопротивления самолет несколько потерял в скорости, зато двигатель работал надежно и самолет спешно запустили в серию. Переделаны были и 270 стоявших без двигателей планеров самолетов Ki-61. В боях Ki-100-Ia показал себя отличным истребителем, способным как перехватывать высотные B-29, так и вести маневренный бой с истребителями F6F Hellcat. Японские пилоты и технический персонал считали Ki-100 лучшим и наиболее надежным истребителем имперских армейских ВВС. Легкость в управлении позволяла успешно вести бой даже молодым пилотам.

Успех летных испытаний Ki-100-Ia позволил компании начать работы над двумя новыми проектами. Ki-100-Ib получил фонарь кругового обзора. Производство этого самолета было начато в мае 1945 года, но бомбежки американцев задерживали освоение новой машины. Всего было выпущено менее 120 машин этой модификации.

В мае 1945 года полетел опытный Ki-100-II с двигателем Mitsubishi Ha-112-IIRu с турбокомпрессором. Установка турбокомпрессора заставила перепроектировать топливную систему, а в корне левого крыла был установлен дополнительный воздухозаборник. По сравнению с Ki-100-I новый истребитель был немного тяжелее и несколько уступал в летных данных на высотах менее 8000м, но на высоте полета американских B-29 (9500м) скорость истребителя достигала 590км/ч. Запуск Ki-100-II в серию планировался в сентябре 1945 года, но война закончилась раньше.