Zainstalowano nowy, mocniejszy silnik Nakajima Ha-8-I, drewniane śmigła zastąpiono śmigłami metalowymi, zakryto kabinę pilotów oszkloną osłoną odsuwaną do tyłu. Zainstalowano rozpatrywane wcześniej podwozie chowane, koła podwozia głównego chowały się do wnęk w gondolach silnikowych, a kółko ogonowe osłonięto owiewką (zrezygnowano z niej w samolotach seryjnych). Wzdłuż lewej burty kadłuba wygospodarowano miejsce na dodatkową komorę bombową mieszczącą 20 ustawianych pionowo bomb o masie 15 kg każda. Blachę falistą pokrywającą zewnętrzne części skrzydeł zastąpiono blachą gładką. Zmodyfikowano dziób samolotu osłaniając stanowisko strzelca kulistą osłoną, której część była ruchoma i mogła wychylać się na boki. Nowy samolot wprowadzono do produkcji seryjnej w kwietniu 1937 roku.
Służba Samoloty weszły do służby w 1934 roku. Jako pierwsze otrzymały je 7 i 12 Hikō Rentai (pułki lotnicze) a następnie 9, 10 i 16 Hikō Rentai. Maszyny weszły w skład eskadr lekkich bombowców. Swój chrzest bojowy Ki-2 przeszły podczas wojny chińsko-japońskiej, gdzie zyskały bardzo dobrą opinię. W 1939 roku rozpoczęto wycofywanie samolotów z jednostek bojowych.