Уже на третий день войны японские береговые бомбардировщики G4M1 и G3M2 одержали впечатляющую победу: ценой трех потерянных самолетов им удалось уничтожить два мощнейших корабля английского тихоокеанского флота - линкоры "Repulse" и "Prince Walls". Это был переворот в ведении боевых действий на море, линкоры перестали быть главной ударной силой флота.

Когда в 1933 году главой технической авиационной службы флота стал адмирал Ямамото, он сумел убедить генеральный штаб в необходимости создать в дополнение палубной авиации и дальнюю авиацию берегового базирования. В результате компания Mitsubishi получила задание на создание дальнего двухмоторного разведчика берегового базирования. Самолет, получивший фирменное обозначение Ка-9, был спроектирован под два 500-сильных двигателя Hiro жидкостного охлаждения. Первый полет разведчика состоялся в апреле 1934 года. Самолет отличался чистотой аэродинамических форм, имел характерные закрылки Юнкерса и разнесенное оперение. В полете самолет отличался хорошей управляемостью и маневренностью, а дальность полета достигала 5960км.

Отличные характеристики опытного морского разведчика показали возможность создания дальнего берегового бомбардировщика-торпедоносца. Согласно новому заданию, самолет должен был нести 800-кг торпеду на внешней подвеске, а его оборонительное вооружение должно было состоять из трех 7.7-мм пулеметов. Самолет, получивший обозначение Ka-15, в целом напоминал своего предшественника Ка-9. Конструкция крыла практически не изменилась, но гофрированная обшивка была заменена гладкой работающей. Фюзеляж был слегка расширен, в нем были установлены две убираемые верхние башни и одна нижняя, каждая с одним 7,7-мм пулеметом. Самолет не имел бомбоотсека - вся боевая нагрузка располагалась на внешних держателях. Кроме того, самолет получил большее по площади двухкилевое оперение и усиленное шасси.

В июле 1935 года строительство самолета Ka-15 было завершено. Первые результаты испытаний подтвердили самые радужные надежды морского штаба. В течении следующего года было выпущено еще двадцать прототипов, три из которых получили еще двигатели Hiro, а остальные оснащались новыми 14-цилиндровыми двигателями воздушного охлаждения Mitsubishi Kinsei. Первый серийный вариант G3M1 получил двигатели Kinsei-3 мощностью 910л.с., глухую носовую часть с иллюминатором для бомбоприцела и возвышающийся уступом фонарь кабины пилотов. Всего, до появления более мощных двигателей, успели выпустить всего 34 G3M1.

Следующей серийной версией самолета стал G3M2 с двигателем Kensei-41 мощностью 1075л.с. и с некоторыми изменениями в конструкции. В июле 1937 года разгорелся китайско-японский конфликт и G3M2 приступили к налетам вглубь китайской территории. Самолет, созданный для поддержки флота вдали от баз, оказался единственным японским бомбардировщиком, способным наносить удары по стратегическим целям в глубине территории Китая. Но действуя за пределами дальности полета своих истребителей, G3M2 несли тяжелые потери, так как их баки были непротектированы, а вооружение явно недостаточным.

Hа самолет была установлена большая башня с 20-мм пушкой, а нижняя башня была заменена двумя боковыми блистерами с 7,7-мм пулеметами, стоявшими сразу за задней кромкой крыла. Левый блистер был сдвинут назад, чтобы бортовые стрелки не мешали друг другу. Передняя убираемая башня с 7,7-мм пулеметом была сохранена, а из боковых окон кабины штурмана можно было использовать четвертый 7,7-мм пулемет. Модернизированный самолет получил обозначение "модель 22" (G4M2b).

Небольшое количество самолетов было переделано в транспортные или пассажирские самолеты. Все вооружение снималось, в фюзеляже проделывались круглые иллюминаторы, оборудовался салон на 8 пассажирских мест и устанавливалась входная дверь. Наиболее распространенными транспортными вариантами самолета стал L3Y разработки первого технического военно-морского арсенала в Йокосуке. Было выполнено несколько рекордных полетов в числе которых кругосветный перелет в конце лета 1939 года, когда самолет G3M за 194 летных часа преодолел расстояние в 60000км.

Всего компания Mitsubishi выпустила 636 самолетов G3M, а с апреля 1941 года их производство было продолжено компанией Nakajima. Через несколько месяцев начался выпуск самой быстрой и дальней модификации G3M3 с двигателями Kinsei-51 мощностью 1300л.с. и увеличенной емкостью топливных баков. До завершения производства в феврале 1943 года, компания успела выпустить около 400 самолетов G3M.

Бомбардировщики G3M оставались в боевых частях до конца 1943 года и широко использовались в налетах на американские и английские базы в Юго-Восточной Азии и на островах Тихого океана. Hо по мере замены на G4M они все чаще использовались в качестве буксировщиков планеров, учебных бомбардировщиков, а также в качестве патрульных самолетов, оборудованных локаторами.