Ki-12 представлял собой элегантный свободнонесущий низкоплан цельнометаллической конструкции с открытой кабиной. Крыло было оснащено щитками. Основные стойки шасси с помощью гидравлики убирались в крыло, перпендикулярно оси фюзеляжа, также убиралась и хвостовая опора. Ki-12 стал первым разработанным в Японии самолетом с убирающимся шасси. Конструкция радиатора на Ki-12 также отличалась от D-510, он имел овальную форму и располагался не под двигателем, а между двигателем и винтом (как на Девуатине D-503 или D-513). Вооружение состояло из одной 20-мм пушки в фюзеляже и двух 7,7мм пулеметов в крыле. Такая схема размещения вооружения также впервые использовалась в Японии. Единственный прототип Ki-12 был построен в октябре 1936 года и прошел испытания наряду с другими истребителями.

Несмотря на многообещающие летные характеристики (максимальная скорость 480 км/ч, потолок 10500 м, время набора высоты 5000 м — 6 минут 30 сек.) руководство Накадзимы понимало, что, как это не парадоксально, Ki-12 с его техническими новинками был слишком прогрессивен для требований Коку Хомбу. Кроме того установка импортного двигателя на японский боевой самолет категорически исключалась, а уверенности, что Франция продаст лицензию на выпуск самых современных моторов Испано-Сюиза не было никакой. Наконец, при взлетном весе 1900 кг и площади крыла 17 м2, нагрузка на крыло составляла 111,76 кг/м2 — слишком много, чтобы обеспечить необходимую маневренность самолета. Такой истребитель вряд ли мог получить одобрение Коку Хомбу. Таким образом, Ki-12 был интересным экспериментом, а не подлинным конкурентом в конкурсе на "усовершенствованный истребитель"

Второй прототип, Ки-27.02. Хвостовая часть такая же, как на РЕ и Ки-27.01. главными отличиями являются крыло увеличенного размаха и площади, новый капот без выступающих обтекателей пулеметов и полностью остекленный фонарь кабины.

Второй истребитель, разработанный Накадзима по собственной инициативе, имел фирменное обозначение РЕ (Pursuit Experimental — экспериментальный перехватчик). Он был детищем инженеров Ясуши Коямы и Минору Ота, общее руководство осуществлял главный конструктор самолетов для армии Надзимы доктор Хидео Итакава. Как и Ki-12, РЕ был цельнометаллическим свободнонесущим монопланом с низкорасположенным крылом, но в отличие от первого имел более простую конструкцию. Прежде всего отказались от установки убирающегося шасси, поскольку сочли, что 3 %-й выигрыш в скорости не окупает увеличение веса самолета. Стойки и колеса РЕ были закрыты тщательно зализанными обтекателями. Кабина пилота была открытой с сильно выступавшим вперед козырьком, который защищал телескопический прицел. Голова пилота была защищена маленьким "горбом" на фюзеляже. Тонкий фюзеляж овального сечения имел полумонококовую конструкцию и был выполнен из металла.

Трехлонжеронное крыло трапециевидной в плане формы (передняя кромка была перпендикулярна оси фюзеляжа) со скругленными законцовками также имела металлическую конструкцию. На нем использовался профиль Накадзима NN-2 (Nippon-Nakajima), относительная толщина которого изменялась от 16 % в корне до 8 % на концах. Крыло имело поперечное V 70 и угол установки 20. Размах крыла 10,4 м, площадь — 16,4 м2. Силовая установка состояла из 9-цилиндрового мотора воздушного охлаждения Накадзима Ха-1а (Ха-1 Ко) мощностью 650/710 л.с., вращавшего двухлопастный металлический винт изменяемого шага (два режима) Сумитомо диаметром 2,9 м (по другим данным — 3,0 м). Самолет был вооружен двумя 7,7-мм пулеметами Тип 89 с боезапасом по 500 выстрелов на ствол, установленных по бортам фюзеляжа перед кабиной.

Единственный опытный РЕ, постройка которого завершилась в июле 1936 года, стал лишь прототипом для другого более совершенного истребителя, которому Коку Хомбу присвоил обозначение Ki-27. Некоторые источники утверждают, что Накадзима смогла так быстро создать столь удачный самолет благодаря своим неофициальным связям в правительстве: в результате утечки информации из Коку Хомбу компания узнала технические требования гораздо раньше своих конкурентов. Даже если это и соответствует истине, Накадзима провела большую работу и доказала превосходство своего проекта над соперниками в ходе сравнительных испытаний.

Здесь необходимо обратить внимание на другой аспект конкурса на создание нового самолета. Вражда и постоянное "соревнование" между японскими армией и флотом приводило к такой ситуации, что армия "огорчалась", если флот получал доступ к информации о построенном для нее самолете и наоборот. С другой стороны, команды разработчиков больших японских авиационных фирм, особенно Мицубиси и Накадзима, работали с техническими требованиями обоих родов войск и выпуск самолетов для них зачастую велся одновременно и на одном предприятии. Исключение составляла компания Кавасаки Кокуки Когио Кабушики, которая до 1937 года была авиастроительным подразделением крупной судостроительной фирмы КК Кавасаки Зосеншо, которая всегда имела прочные связи с армией и работала почти исключительно для нее. Хотя в середине 30-х годов Мицубиси и Накадзима создали отдельные конструкторские офисы для работы на армию и флот, "психологический перевес" в конкурсе был на стороне Кавасаки Ki-28.

После объявления конкурса инженеры Накадзима приступили к работам над новыми прототипами, которые по сути являлись дальнейшим развитием РЕ. Первые летные испытания, которые провел шеф-пилот Накадзимы Киоши Шиномия показали, что РЕ по своим летным характеристикам соответствует требованиям Коку Хомбу за исключением маневренности. Поэтому работа инженеров фирмы была сосредоточена на улучшении этой характеристики. Первый из прототипов Ki-27, получивший обозначение 01 (Ki-27.01) впервые взлетел 15 октября 1936 года с аэродрома Оджима около города Ота. Вскоре на него установили новое крыло увеличенной площади (17,60 м2), чтобы улучшить маневренность, а кабину сделали закрытой, оснастив её сдвижным фонарем. В остальном новый самолет был практически идентичен РЕ. Модернизированный таким образом Ki-27.01 снова поднялся в воздух в декабре 1936 года.

В феврале 1937 года был готов второй прототип, Ki-27.02, размах крыла которого увеличился до 11,31 м, а площадь — до 18,56 м2 (на 13 % больше, чем у РЕ). Нагрузка на крыло уменьшилась с 77,27 кг/м2 (Ki-27.01) до 73,28 кг/м2. Крыло получило отрицательную крутку (угол установки постепенно уменьшался от 20 в корне до 0,50 на концах), что обеспечило Ki-27.02 лучшую маневренность, чем у Ki-27.01. Максимальная скорость при этом снизилась на 6,5 км/ч. Ещё одним внешним отличием стал капот двигателя (теперь без выпуклостей над толкателями клапанов) и новый фонарь кабины.

Ки-27а с номером «83» на руле. Вероятно это один из самолетов, которые в начале 1940 годи «играли роли» в японском фильме о героических подвигах Императорских ВВС в Китае.

Накадзима Xa-1b (Хи-1 Оцу) — 9-цилиндровый мотор воздушного охлаждения, который устанавливался на все модели Ки-27.

В январе 1937 года аэродром Армейского Технического Летно-исследовательского института в Тачикава стал местом проведения сравнительных испытаний трех конкурирующих истребителей. Они продолжались почти год, до 28 декабря 1937 года, и, по всей видимости, являлись самыми продолжительными испытаниями в истории IJAAF. Впоследствии Коку Хомбу принял решение отказаться от таких конкурсов, поскольку они отнимали слишком много времени и приводили к серьёзным финансовым потерям проигравшие фирмы. Истребители следующего поколения уже разрабатывались производителями, заранее отобранными Штабом армейской авиации.