В августе 1942 г. на вооружение 5-го сентая поступил первый Ки-45 КАИа, и одновременно Такео Дои и его конструкторы приступили к работе над улучшенной версией «Торю» Ки-45-II под двигатели «Мицубиси» На-112-II мощностью 1500 л.с. По сравнению с предшественником новый Ки-45-II имел другие размеры планера — размах увеличили до 15,57 м, оперение было большей площади, что должно было улучшить управляемость при полете на одном моторе. Рабочее проектирование самолета продвигалось довольно медленно — армейская авиация не видела необходимости в новом двухместном истребителе, а Кавасаки имело в работе еще несколько проектов. Но тем не менее был выдан заказ на три опытных самолета. В декабре 1942 г. воздушный штаб пересмотрел свои взгляды и приказал Кавасаки переделать самолет в одноместный истребитель. Новый проект получил обозначение Ки-96 и отличался от предшественника Ки-45 КАИ практически во всех аспектах.

В 1943 г. работы по Ки-96 набрали темпы, и в сентябре того же года был закончен первый опытный самолет. Так как к моменту изменений в проекте первый Ки-45-II был уже на сборке, то переделанный из него Ки-96 отличался от последующих самолетов фюзеляжем и большим фонарем кабины, а кабина стрелка была заделана. В испытаниях использовались еще два опытных самолета, с самого начала сделанные в одноместном варианте с фонарем кругового обзора. Результаты испытаний были в целом удовлетворительными: Ки-96 показал хорошую управляемость, достиг расчетных летных данных, но тем не менее еще до первого полета армейская авиация пересмотрела свои взгляды на двухмоторные одноместные истребители и Ки-96 фактически послужили только аэродинамическими прототипами для сменившего их Ки-102.

В то время, когда работа по двухмоторному истребителю Ки-96 была уже близка к завершению, «Кавасаки» в лице Такео Дои предложила воздушному штабу армии создать на базе этого самолета штурмовик, призванный заменить в частях Ки-45. В августе 1943 г. воздушный штаб утвердил проект и предложил создать опытный образец нового самолета — Ки-102. Для ускорения работ Такео Дои решил сохранить планер и силовую установку от Ки-96. На Ки-102 установили дополнительное бронирование и протекторы на баки. Самолет получил мощное вооружение, состоящее из 57-мм пушки Но-401 и двух 20-мм пушек Но-5, установленных в носу, и одного подвижного 12,7-мм пулемета Но-103 в задней части кабины. Первый из трех опытных Ки-102 с двигателями «Мицубиси» На-112-II мощностью 1500 л.с. был облетан в марте 1944 г.

Была выпущена партия из 20 предсерийных самолетов, которые вместе с тремя опытными самолетами первоначально использовались для доводки штурмового варианта Ки-102. Управляемость и летные данные самолета были хорошими, но он был несколько неустойчив при приземлении. В результате на самолете уменьшили стояночный угол, удлинив хвостовую стойку. В таком варианте в октябре 1944 г. самолет был запущен в серию под обозначением «штурмовик армейский тип 4» (Ки-102Ь). Большинство выпущенных самолетов оставалось в резерве в метрополии, а в боях над Окинавой использовалось только небольшое их число.

В Японии самолет участвовал в испытаниях управляемой ракеты Igo-1-В, которую планировали использовать против кораблей союзников в случае десанта на Японские острова.

За месяц до первого полета Ки-102 воздушный штаб потребовал создать высотный вариант истребителя на базе этой машины. По этим требованиям «Кавасаки» уже создавала Ки-108, отличавшийся гермокабиной, что требовало для доводки много времени. В результате воздушный штаб указал просто переделать Ки-102 в вариант высотного истребителя. Шесть предсерийных Ки-102 были переделаны в высотные истребители Ки-102а, первый из которых был облетан в июне 1944 г. Внешне Ки-102а не отличался от Ки-102b, но получил двигатели «Мицубиси» На-112-II Ru мощностью 1500 л.с. Двигатели были оснащены турбокомпрессорами Ru-102, позволявшими поддерживать на высоте 8200 м мощность 1250 л.с. — обычный На-122-II выдавал такую мощность на высоте 5800 м. Вооружение было изменено — Ки-102а получил 37-мм пушку Но-203 и две 20-мм пушки Но-5 в фюзеляже для стрельбы вперед, а пулемет в задней части кабины был снят. После успешного завершения испытаний шести опытных самолетов была заказана дюжина предсерийных машин, переделанных из стандартных Ки-102b. Однако до конца войны в войска поступило только 15 таких самолетов — Ки-102a так и не дошел до массового производства.

К концу 1944 г. налеты американских B-29 на Японию резко усилились, и армии срочно понадобился специализированный ночной перехватчик. Так как «Торю» показал себя в этой роли довольно неплохо, воздушный штаб предложил создать вариант ночного истребителя на базе Ки-102а, так как последний являлся развитием Ки-45. Новый вариант Ки-102с получил удлиненный фюзеляж, новую кабину и переделанное хвостовое оперение. Для улучшения взлетно-посадочных характеристик площадь и размах крыла увеличили. Вращающуюся антенну локатора установили в обтекателе на фюзеляже. Вооружение состояло из двух 30-мм пушек Но-105 в носовой части и двух 20-мм пушек Но-5, установленных наклонно в центральной части фюзеляжа. Первый опытный Ки-102с был оснащен двигателями с турбокомпрессорами На-112-11 Ru. Самолет был переделан из планера Ки-102b. Его облетали в июле 1945 г., а месяц спустя полетел второй опытный самолет. Летные испытания были прерваны капитуляцией Японии.

Был в проекте и уменьшенный, более скоростной вариант Ки-102 под пару 1900-сильных двигателей Мицубиси На-104, но он так и остался на чертежной доске. Всего было выпущено 238 истребителей Ки-102, включая 215 Ки-102b.

Проектирование Ки-108 началось в апреле 1943 г., согласно требованиям к одноместному высотному истребителю. Так как конструкторы «Кавасаки» были загружены работами по еще нескольким проектам, Такео Дои для экономии времени и средств решил использовать под новый проект переделанный Ки-96. Это предложение было принято воздушным штабом. С начала велась работа над гермокабиной. Учитывая работы, проведенные на исследовательском самолете «Тачикава» SS-1, инженеры Кавасаки создали для Ки-108 гермокабину с двойными стеклами фонаря и герметично закрываемой дверью. Давление в кабине на высоте 10000 м должно было соответствовать высоте 3000 м.

Весной 1944 г. седьмой и восьмой Ки-102b были оснащены гермокабинами и новым оперением, став прототипами Ки-108.

Оба самолета были оснащены двумя двигателями «Мицубиси» На-112-II Ru с турбокомпрессорами. Вооружение состояло из одной 37-мм пушки Но-203 и двух 20-мм пушек Но-5. Летные испытания машин постоянно задерживались из-за налетов американцев и проблем с турбокомпрессорами. Во время одного из первых полетов на высоте 10000 м на Ки-108 сорвало гермодверь, в результате пилот был вынужден перейти в крутое пикирование, чтобы снизиться до безопасной высоты полета. Этот случай показал, что боевые повреждения гермокабины не являются катастрофой для самолета.