Во второй половине 1938 года наступление японской армии развивалось столь стремительно, что среди прочих она захватила город Сучжоу, а вместе с ним и стратегически важную железную дорогу, которая связывала Пекин и Нанкин-Кантон, Ханчжоу, Ханькоу и индустриальные районы. Истребительные подразделения IJAAF (например, вооруженные Ki-27 59-й и 64-й Сентай, а также 9-й и 10-й Докурицу Чутай) в то время действовали в центральном и южном районах Китая — Сучжоу, Ханькоу и Кантон — обеспечив японцам господство в небе. Потрепанные китайские ВВС были осенью 1938 года выведены на базы, находившиеся за пределом радиуса действия японских бомбардировщиков, и воздушные бои стали крайне редким явлением и основная тяжесть борьбы легла на авиацию флота. Большинство подразделений армейских ВВС были переброшены в Маньчжурию, где они в основном летали на поддержку войск. Так Ki-27 принимали участие во вторжении на остров Хайнань в феврале 1939 года, а в марте и апреле — в атаках на Нанчанг. 29 апреля семь Ki-27b столкнулись с двадцатью китайскими И-152, сбив, по японским данным, 12 из них. Сами японцы потеряли один или два самолета.

Бои в небе Китая показали, что Ki-27 был отличным истребителем. Лишь немного уступавшим по маневренности бипланам и значительно превосходившем их по остальным летным характеристикам. Относительно слабое вооружение и отсутствие бронирования не оказали существенного влияния на эффективность Ki-27, подтверждая разумность выбора Коку Хомбу. Кроме того, на опыте эксплуатации Ki-27 были сформулированы требования для истребителя следующего поколения — Накадзима Ki-43 "Хаябуса"

Ки-27а 2-го Чутая 1-го Сетая, Кагамигахара, Япония. 1938 год. Самолет командира 2-го Чутая капитана Кеизуке Ямада. Красный руль направления с белым иероглифом хирагана «Ни». Эскадрильи в 1-ом Сентае различались по цвету руля и цвету обозначений: 1- й Чутай — желтый руль и черная китикана, 2-й Чутай — красный руль и белая хирагана и Сентай Хомбу (штабная эскадрилья) — синий руль и черпая катакана.

Ки-27a (заводской номер 184) 2-го Чутая 64-го Сентая, Китай, ноябрь 1938 года. На этом самолете с красным номером «6» на руле летал лейтенант Иори Сакаи. Красная полоса на капоте переходящая в «стрелу» на фюзеляже и красные тактические номера были характерны для 2-го Чутая.

Маньчжурия — обширный район на востоке Китая, граничащий с Кореей, Советским Союзом и Внешней Монголией (Народная Республика Монголия) — долгое время привлекала японцев. Эта область с малочисленным населением была богата природными ресурсами и японцы активно усиливали там свое влияние с помощью инвестиций и создания поселений. Спровоцированный 18 сентября 1931 года солдатами Квантунской армии инцидент на железной дороге около маньчжурской столицы Мукден (японское название Хотен или Фенгтиян, сегодняшний Шеньян) привел к началу боевых действий, в результате которых к концу года весь район оказался под фактическим контролем японцев. 9 марта 1932 года захваченная территория была объявлена независимым государством Маньчжоу-го, находившемся под протекторатом Японии, с императором Пу-И (последний китайский император из маньчжурской династии, свергнутый в результате революции 1911 года) в качестве регента. В сентябре 1932 года Маньчжоу-го было признано японским правительством и 1 марта 1934 года Пу-И стал императором этой страны. Тем временем, в начале 1933 года, Квантунская армия захватила и аннексировала китайскую провинцию Жехоу.

Квантунская армия (Канто-Гун) была практически государством в государстве, контролируя и политику и экономику Маньчжоу-го. Эта армия проводила свои операции, не консультируясь с правительством Токио. Командование армии стремилось к расширению подконтрольной территории за счет захвата земель на западе Азии, в Монголии и Восточной Сибири. На протяжении 2000-км границы между Маньчжоу-го, Монголией и Советским Союзом постоянно происходили вооруженные инциденты. 11 мая 1939 года японские отряды пересекли монгольскую границу около реки Халхин-Гол и озера Буир-Нур. В ответ на это, на следующий день, подразделение монгольской конницы пересекло реку и атаковало посты японских войск. Японские генералы сочли это актом агрессии и 28 мая Квантунская армия приготовилась вести действия на монгольской территории. Когда 31 мая советский диктатор Иосиф Сталин заявил, что Красная Армия будет защищать монгольскую границу как свою собственную, стало очевидно, что пограничный инцидент превратился в необъявленную войну между Советским Союзом с его марионеткой Монголией с одной стороны и Японией (а точнее Квантунской армией) — с другой. Военные действия, развернувшиеся у монгольской границы у холмов Номонган (Номен Кан, Номон-Хан-Бурд-Обо), приблизительно в 800 км к северо-западу от Мукдена, стали известны как сражение на Халхин-Голе или по японской терминологии "Номонганский инцидент".

В конфликт на Халхин-Голе были вовлечены с обеих сторон значительные силы. Поддержку Квантунской армии осуществлял базировавшийся в Маньчжурии 2-й Хикошидан, в который входил 12-й Хикодан, имевший в своем составе два Сентая, вооруженных истребителями Ki-27 — 11-й и 24-й. Уже 12 мая Ринджу Хикотай (временная воздушная группа), сформированная на основе 2-го Хикошидана, была послана на аэродром Хай Лар в 160 км к северо-востоку от Номонгана. Что касается истребителей, то в состав Ринжу Хикошидана первоначально входил только 24-й Сентай (командир — подполковник Коджиро Мацумура), в двух Чутаях которого было девятнадцать Ki-27. Это подразделение прибыло в район Халхин-Гола 18 мая. 24 мая к нему присоединился 11-й Сентай (командир — подполковник Юджиро Ногучи), в четырех Чутаях которого было 56 Ki-27.

Ки-27b 3-го Чутая 64-го Сентая, Китай, 1939 год. На этом самолете с черной катаканой «Ро» ни киле летал командир 3-го Чутая капитан Горо Сузуки. Черные полосы на руле направления и черные иероглифы китакана на киле (на фотографии практически не видны) были отличительными признаками 3-го Чутая, который продолжал традиции 9-го Докурицу Чутая (последний в августе 1938 года был включен в состав 64-го Сентая как 3-й Чутай).

Ки-27а Сентай Хомбу 1-го Сентая, Номонган, июнь 1939 года. На этом истребителе летал командир 1-го Сентая подполковник Тошио Кито. Колеса шасси увеличенного размера без обтекателей. Руль направления синего цвети с черной катаканой «То». Передняя часть капота желтого цвета с красной полосой.

Первую воздушную победу японцы одержали вечером 20 мая, когда пара Ki-27 из 24-го Сентая атаковала разведчик Поликарпова Р-5, сопровождаемый двумя истребителями И-16. Ведущий японской пары командир 24-го Сентая подполковник Мацумура легко сбил разведчик, в то время как И-16 поспешили ретироваться (некоторые источники утверждают, что в этом бою принимала участие и тройка Ki-27 из 1-го Чутая во главе с его командиром капитаном Шончи Сузуки и победа принадлежит именно ему). Советские источники признают потерю одного Р-5, но датируют ее 21 мая. 22 мая произошел первый бой истребителей, когда пять или шесть советских И-16 (советские источники говорят о трех И-16 и двух И-152) из 70 ИАП (истребительного авиационного полка) атаковали три Ki-27 из 24-го Сентая. Японские пилоты быстро взяли инициативу в свои руки и позже заявили об уничтожении трех самолетов противника. Советы подтвердили потерю лишь одного И-16.

Воздушные бои становились всё интенсивнее. По японским данным, 26 мая девять Ki-27 из 11-го Сентая дважды атаковали равные по численности группы И-16 70 ИАП и сбили девять самолетов, не понеся потерь со своей стороны (по другим данным японцы потеряли машину). В то же время десять Ki-27 из 24-го Сентая атаковали группу советских самолетов над озером Буир-Нур и сбили три из них: И-16, И-152 и P-Z. Однако, советские источники не подтверждают воздушных боев в этот день. На следующий день три советских И-16 из 22 ИАП стали жертвой японских пилотов из 1-го Чутая 11-го Сентая после того, как девять (по другим источникам — шесть) таких машин были неожиданно атакованы семёркой (или девяткой — по другим источникам) Ki-27. Этот бой также закончился без потерь для японцев, хотя Советы утверждают, что их пилотам удалось сбить восемь самолетов. Японцы, в свою очередь, утверждают, что сбили все девять советских машин, причем четыре на свой счет записал сержант Хиромичи Синохара, самый результативный пилот IJAAF (58 побед), получивший прозвище "Рихтгофен Востока" во время конфликта на Халхин-Голе. Три других советских самолета записал на свой счет капитан Кенджи Симада, командир 1-го Чутая, прозванный "Красным Ястребом" (за окрашенные в красный цвет обтекатели колес его истребителя).