Разработкой машины под фирменным индексом Ка-15 занялась та же бригада, что проектировала Ка-9. От предшественника взяли в практически неизменном виде крыло, к которому приделали новый фюзеляж увеличенных размеров. Все оборонительное вооружение разместили в выдвижных башенках – двух верхних и одной нижней. В каждой установили по 7,7-мм пулемёту типа 92. Увеличилась площадь двухкилевого хвостового оперения – это благотворно сказалось на балансировке самолёта и улучшило устойчивость, особенно в момент сброса бомб. Усилили шасси, одновременно упростив его конструкцию.
Первый прототип Ка-15 был готов в июне 1935 г. Его оборудовали моторами «Хиро» тип 91 модель 1 (750 л.с.). Машине присвоили обозначение «Морской 9-Си опытный, средний базовый самолёт, торпедоносец-бомбардировщик» и сокращённое – G3M1. В июле Ка-15 перевезли с завода на аэродром Кагамихара, и в том же месяце новый бомбардировщик впервые поднялся в воздух. Испытания показали, что лётно-технические характеристики самолёта не только соответствуют мировому уровню, но и превосходят его. В течение последующего года «Мицубиси» построила ещё двадцать (!) прототипов, применявшихся для отработки различных силовых установок и иных конструктивных решений.
Характерной чертой двух первых прототипов была глухая, неостеклённая носовая часть фюзеляжа. Бомбовый прицел поместили в небольшом иллюминаторе под кабиной пилотов. Силовая установка состояла из пары всё тех же «Хиро», мощность которых уже считалась недостаточной. Поэтому на третьем прототипе установили двухрядные звездообразные моторы воздушного охлаждения «Мицубиси» «Кинсей» 2, развивавшие 830 л.с. Они комплектовались четырёхлопастными винтами фиксированного шага MW 126. Ещё более прогрессивной была силовая установка четвёртого прототипа – помимо 910- сильных моторов «Кинсей» 3, он получил трехлопастные металлические винты изменяемого шага «Гамильтон Стандарт» CS 16. Именно такой состав винтомоторной группы был одобрен для серийных самолётов. Но поскольку выпуск «Кинсеев» только налаживался, то пятый и шестой прототипы оборудовали старыми двигателями фирмы «Хиро». Впоследствии машины с моторами «Хиро» получили обозначение G3M1a модель 1А, а с «Кинсеями» – G3M1b модель 1В. После отработки вооружения прототипы передали для войсковых испытаний в кокутай «Татэяма». В их ходе был потерян второй прототип – самолёт упал в море у берегов Кореи из-за поломки винта. Все пять членов экипажа погибли. Причиной была признана конструкция винта фиксированного шага, который невозможно было зафлюгировать. Тем не менее, из-за того, что лицензионный выпуск пропеллеров «Гамильтон Стандарт» ещё не наладили, первые серийные G3M1b модель 11В комплектовались старыми винтами MW 126. В течение 1937 г. завод «Мицубиси» в Ои сдал 34 таких самолёта. Помимо винтов, от четвёртого прототипа они отличались более просторной пилотской кабиной и «осовремененными» бортовыми приборами. В последних экземплярах этой модификации не устанавливался астронавигационный купол и одна из верхних стрелковых башен.
Компоновка кабины G3M1b мало подходила для низковысотного бомбометания – для этого предпочтительнее было поместить штурмана-бомбардира в носовую часть фюзеляжа, обеспечив ему хороший обзор. Поэтому следующие 15 прототипов, обозначавшихся G3M1c модель 11С, получили остеклённый «нос». Все они оборудовались моторами «Кинсей» 2 с винтами MW 126 (за исключением 11-го прототипа, получившего двигатели «Кинсей» 3 и винты CS 16). Восьмой прототип отличался ещё и новым фюзеляжем обтекаемых форм, который изначально разрабатывался для гражданского рекордного варианта G3M. Однако результаты испытаний самолётов со «стеклянными носами» признали неудовлетворительными, и последующие серийные бомбардировщики выпускались с глухой носовой частью.
Кабина G3M была довольно просторной, что было важно при длительных полётах
Смонтированная в верхней установке 20-мм пушка тип 99 представляю собой копию швейцарского «Эрликона»
Главный калибр «Нелли» – 250-кг авиабомбы
Для первой крупносерийной модификации G3M2 модель 21 (полное обозначение «Морской тип 96 базовый самолёт, торпедоносец-бомбардировщик») выбрали ещё более мощные двигатели «Кинсей» 41 (1000 л.с.). Кроме того, немного увеличили запас топлива (с 3805 до 3874 л), придали верхним стрелковым башням более обтекаемую форму. Выпуск G3M2 модель 21 начался в середине 1937 г., и до 1939 г. фирма «Мицубиси» изготовила 343 таких бомбардировщика, причем машины поздних серий получили усовершенствованные моторы «Кинсей» 42. Дальнейшая эволюция самолёта происходила под влиянием боевого опыта – в июле 1937 г. началась очередная японокитайская война, в которой самое активное участие приняла авиация Императорского флота. В ходе, в общем-то, успешного боевого применения вскрылись и некоторые недостатки бомбардировщика – непротектированные топливные баки и примитивное навигационное оборудование. Для решения последней проблемы пришлось прибегнуть к зарубежному опыту – в США были куплены лицензии на производство радиополукомпаса и автопилота «Сперри». В итоге G3M2 стали первыми в мире серийными самолётами со столь продвинутым навигационным комплексом!