Первый опытный Ki-21 полетел 18 декабря 1936 г. Ki-21 представлял собой среднеплан с двигателями Ха-6 "Кинсей" (Золотая звезда) с трехлопостными винтами изменяемого шага "Гамильтон Стандарт". Трехлонжеронное крыло имело работающую обшивку из легкого сплава и было разделено на три секции. Элероны были из легкого сплава с тканевой обшивкой. Гидравлически выпускаемые закрылки - цельнометаллические.

Бомбоотсек размещался под лонжеронами центроплана, а над ними размещались два бензобака, сдвинутые к левому борту (справа был проход в хвостовую часть). Оперение имело металлическую конструкцию с полотняной обшивкой. Первый и второй пилот-штурман располагались рядом, бомбардир имел место в носовой части, стрелок-радист - в хвосте. Оборонительное вооружение составляли три 7,7-мм пулемета Тип-89. Один был в носовой башне с углами обстрела только в вертикальной плоскости, второй был в задней башне, а третий в нижнем люке. Шасси убирались и выпускались гидравлически.

Первые серийные Ки-21-1а внешне не отличались от третьего прототипа. В качестве силовой установки были выбраны двигатели Ха-5 - "армейский тип 97" мощностью в 950 л. с. при 2400 оборотах у земли и 1080 л. с. на высоте 4000 м. Запас топлива был увеличен с 1840 л до 2635 л. Оборонительное вооружение состояло из трех 7,7-мм пулеметов.

Было изготовлено более 2000 единиц.

Экипаж 5 человек. Скорость 480 км/ч,дальность 2700 км.Бомбовая нагрузка-1 тонна.

Боевое крещение бомбардировщиков Ki-21 состоялось в Китае, где они проявили себя с лучшей стороны. Положительными оказались также результаты использования самолетов этого типа в ходе сражения на Халхин-Голе. Вместе с дюжиной БР.20 из 12-го сентая Ки-21 впервые пересекли реку Халхин-Гол 27 июня 1939 года. Это был массированный налет на аэродром Тамцак-Булак советского истребительного полка. Всего в налете участвовали 23 бомбардировщика и 70 истребителей. По советским данным были сбиты два бомбардировщика. Один Ки-21 совершил вынужденную посадку из-за отказа двигателя в пустыне около Тамцак-Булака и стал трофеем советских войск.

Опыт боевого применения позволил выявить основные изъяны бомбардировщика, а именно - слабое оборонительное вооружение и недостаточную защищенность топливных баков и рабочих мест членов экипажа. Пытаясь устранить недостатки, конструкторы «Мицубиси» разработали модификацию Ki-21-II. Эти самолеты встретили начало Второй мировой войны на Тихом океане в ранге лучших бомбардировщиков ВВС японской армии и на первом ее этапе добились хороших результатов, нанося бомбовые удары по целям на Филиппинах, в Бирме и Малайе. Так сопровождаемые истребителями Накадзима Ki-27 и Ki-43 бомбардировщики Ki-21 уничтожили базы британских и австралийских Королевских ВВС в Агор Сетари, Сунгаи Петани и Баттерворте.

В течение двух месяцев ,в начале 1941 года Ки-21 3-й дивизии во всю поддерживали наступление армии пользуясь отсутствием противодействия в воздухе. А вот 14-у сентаю 4-й хикосидан, который вел боевые действия на Филиппинах, а потом в Бирме, повезло меньше. В Бирме 14-й сентаи вместе с 62-м сентаем основной целью имел авиабазу Таунгоо в Рангуне, где японцы встретили сильное противодействие в лице P-40 американских добровольцев и "Буффало" из 67-й эскадрильи британских ВВС. В этих боях 14-й ceнтай потерял почти все свои самолеты. К счастью для японцев на этой стадии войны встречи с современными истребителями противника были редкостью.

Когда войска союзников приняли условные обозначения японских самолетов, Ки-21, как наиболее известный самолет японских армейских ВВС, получил обозначение "Джейн" по имени жены генерала Макартура. Генерал счел эту честь сомнительной, и вскоре обозначение поменяли на "Салли".

Несмотря на то, что Ki-21 пользовались в войсках большой популярностью за хорошую управляемость и простоту обслуживания, они быстро устаревали. Даже модернизированные самолеты были сильно уязвимы от огня зенитной артиллерии и истребителей противника, которые к тому же совершенствовались и становились все более многочисленными.

Однако, несмотря на снижение боевых качеств, японцы продолжали использовать стремительно устаревающие Ki-21, так как созданные им на замену бомбардировщики Накадзима Ki-49 оказались сложными в управлении и имели небольшую боевую нагрузку. Только после запуска в серию бомбардировщика Ki-67 в начале 1944 года Ki-21 стали переводить из частей первой линии в учебные и транспортные подразделения. В последние месяцы войны многие уцелевшие машины были использованы, как самолеты-камикадзе.

Вполне возможно, что последняя боевая операция  с использованием Ки-21 была проведена 24 мая 1945 г.  Операция против соединения американских В-29 на Окинаве была отчаянной и безнадежной. 9 Ки-21-II без вооружения, с дюжиной специально подготовленных десантников каждый, вылетели с базы Южный Кюсю. Следуя на малой высоте, самолеты достигли района цели. Здесь они были перехвачены истребителями. Только один Ки-21, избежав истребителей, сумел совершить аварийную посадку на взлетной полосе аэродрома Ентан. Прежде чем американские морские пехотинцы сумели обезвредить десантников, те успели уничтожить семь В-29, два повредить и сжечь 2600 бочек с горючим и большое число боезапаса. Авиабаза была выведена из строя на 10 часов.

До нашего времени бомбер не уцелел,хотя кое-где встречаются его обломки.

В игре war thunder  бомбер воскрес и вполне себе красивый продолжает летать.