Зимой 1942 года фирма завершила работы над двигателем Ха-25 с двухступенчатым двухскоростным наддувом, улучшающим характеристики двигателя на больших высотах. В модификации для японской армейской авиации двигатель получил обозначение Ха-115. Одновременно шли работы по созданию новой модификации истребителя, в конструкции которой учитывался опыт первых боев. Главным недостатком самолета считалась низкая предельная скорость пикирования и медленное выполнение некоторых маневров, особенно бочки. Кроме того, недостаточной оказалась прочность крыльев. Отмечались случаи, когда при пикировании крылья отваливались даже на достаточно умеренных скоростях. Чтобы исправить этот недостаток конструкцию крыльев усилили, изменили профиль концов и слегка уменьшили размах. В результате запаса прочности стало хватать для наружной подвески двух 250-кг бомб, в то время как прежде самолет мог брать на внешнюю подвеску под крылья только две 30-кг бомбы.

Новый самолет также получил прицел рефлексного типа и новый, несколько более объемистый фонарь с новой схемой остекления. Однако «гвоздем» новой модификации стал двигатель. Новый двигатель был немного длиннее своего предшественника, что повлекло изменение конструкции кожуха. Воздухозаборник карбюратора перенесли наверх, вслед за самим карбюратором, а подачу воздуха в топливорадиатор (Существование топливорадиатора не доказано, однако придумать другое объяснение для нижнего воздухозаборника мы не можем.) производили через небольшой влет в нижней части мотора. Пропеллер заменили трехлопастным винтом диаметром 2,80 м. О защите пилота и герметизации топливных баков конструкторы думали еще в начале проектных работ. Однако лишь боевой опыт показал необходимость установки защиты на самолете, несмотря на рост массы и уменьшение дальности действия. Для начала проблему защиты решили лишь для баков, оснастив их системой самогерметизации. Система состояла из трех слоев резины толщиной 2, 8 и 2 мм, соответственно. Система хорошо держала попадание обычных пуль, но была недостаточна для защиты от пуль крупного калибра.

Работы шли постепенно и рабочие завода в Ота показали себя профессионалами высшей квалификации. Вскоре начала сказываться неразумная политика японского военного министерства в отношении призыва рабочих оборонной промышленности. Первый из пяти предсерийных Ки-43 модель II собрали в феврале 1942 года, а серийный выпуск Ки-43 модель II Ко начался осенью того же года. Тем временем, спрос на истребитель превысил производственные возможности завода. Кроме того, по стратегическим соображениям требовалось рассредоточение производства. Поэтому техническую документацию на самолет передали фирме Тахикава, расположенной в одноименном городе. Там с мая 1943 года организовали серийный выпуск самолетов Ки-43, который длился до сентября 1944 года. Предпринималась попытка начать выпуск истребителей в Первом техническом авиационном арсенале, известном под названием «Рикугун». Арсенал также располагался в Тахикаве. Однако производственные мощности арсенала были очень скудными, поэтому до конца войны там удалось собрать лишь 49 истребителей Ки-43. Тем временем Ки-43 Модель II продолжал совершенствоваться.

Истребители Ки-43-IlI-Ko 65-го сентая, сфотографированные 12 октября 1945 годи.

Главное отличие самолетов Модель II Ко поздней модификации заключалось в замене маслорадиатора, расположенного возле главной передачи, на другой, расположенный возле отдельного воздухозаборника под двигателем, где раньше располагался топливорадиатор. Кроме того, на самолетах позднего выпуска впервые установили посадочный огонь, вмонтированный в переднюю кромку левого крыла. У самолетов, выпущенных в Тахикаве, противокапотажная дуга за креслом пилота была чуть выше и оборудована 12-мм бронеплитой, какую планировалось ставить на все машины, но на самолетах, собранных в Ота, появилась позднее.

Эта модификация отличалась небольшими внутренними изменениями конструкции. От предыдущей модификации ее можно отличить по измененной форме выхлопных труб, направленных назад. В кабине всех самолетов появилась бронеспинка толщиной 12-мм и противокапотажная дуга. Впрочем, многие пилоты снимали со своих самолетов эти приспособления, стремясь облегчить машину и обеспечить себе наиболее полное поле зрения.

Самолет получил узлы для крепления подвесных топливных баков или бомб. Узлы располагались снаружи от стоек шасси. Это может свидетельствовать о том, что изменилась конструкция силовых элементов крыльев. Однако точной информацией на этот счет мы не располагаем. Кроме того, маслорадиатор перенесли ближе к выходу воздухозаборника под двигателем, так, что радиатор теперь находился на расстоянии от двигателя. Самолет этой модификации завод в Ота выпускал до сентября 1944 года.

Боевой опыт показал, что скорость самолета недостаточна. Пока шли работы над новым мотором, совершенствовалась конструкция двигателя Ха-115. Летом 1942 года изготовили три прототипа Модель II Каи (их иногда ошибочно называют IIс или II Хей). Прототипы имели новую систему выхлопа. Шесть цилиндров имели отдельные выхлопные трубы, а восемь остальных цилиндров присоединялись к трубам попарно. Благодаря этой мере мощность двигателя увеличилась на несколько десятков лошадиных сил. Всего в Ота выпустили около пятисот таких машин, которые появились в боевых частях летом 1943 года. Позднее истребители этой модификации оснастили дополнительным топливным баком емкостью 151 л, расположенным за креслом пилота. Горловина этого бака выводилась через лючок в фонаре кабины.

Ки-43-II-Каи, 1-й чутай, 1-й сентай, захваченный на аэродроме Йонтан солдатами 4-го полка морской пехоты 6-й дивизии морской пехоты, 1 апреля 1945 года.

Ки-43-II-Каи, 1-й чутай, 1-й сентай, брошенный в Лузоне, Филиппины, 1945 год.

В мае 1944 года в Ота завершили работы над тремя прототипами Модель III Ко. Прототипы получили доработанный двигатель Ха-115-II, оснащенный системой впрыска смеси воды и метанола, что позволяло повысить мощность на больших высотах. Бак со смесью располагался за кабиной пилота вместо дополнительного бензобака у самолетов Модель II Каи. Кроме того, все цилиндры двигателя получили отдельные выхлопные трубы. В результате немного изменилась конструкция кожуха двигателя и профиль воздухозаборников карбюратора и маслорадиатора. Номинальный выигрыш от всех этих изменений был незначительный, что свидетельствовало об ухудшающемся положении дел в японской промышленности. Потолок самолета немного вырос, но в целом, истребитель уже не мог сравниться по характеристикам с новейшими самолетами союзников. Усилить вооружение самолета в большей мере было невозможно, а конструкция крыльев вообще исключала возможность поместить оружие. Самолет по-прежнему оставался удобным в пилотировании, но это уже не спасало машину в бою.

Фирма Накадзима, имевшая ограниченные возможности, и прогибающаяся под тяжестью других заказов, все больше и больше передавала груз работы над Ки-43 в ведение фирмы Тахикава. Приняв дела, инженеры Тахикава предприняли очередную попытку спасти самолет. К этому времени появился новый двигатель Ха-112-II, созданный фирмой Мицубиси. Это также был 14-цилиндровый звездообразный двигатель большого рабочего объема и значительной мощности. От Ха-115-II двигатель фирмы Мицубиси отличала чуть более лучшая удельная мощность (2,07 л.с./кг против 2,02 л.с./кг). Двигатель имел чуть больший диаметр, но все это были пустяки. Главным достоинством нового мотора было то, что вместо 12,7-мм пулеметов, бесполезных против американских летающих крепостей, двигатель позволял установить 20-мм пушки Хо-5, правда только после усиления носовой части фюзеляжа. Немного изменили и конструкцию крыльев. В июне 1945 года Тахикава собрала два прототипа Модель III Оцу, которые стали единственными представителями данной модификации. Постоянные налеты американской авиации, нехватка сырья, а также утрата веры в возможности проекта поставили точку в эволюции самолета.