В 1939 г. началось производство варианта G3M2b модель 21В, оборудованного двигателями «Кинсей» 45 (1070 л.с.), отличавшимися лучшими высотными характеристиками. С сентября 1939 г. выпускался вариант G3M2c модель 21С с измененной схемой расположения оборонительного вооружения. Поскольку пулемётные башни в рабочем положении создавали значительное аэродинамическое сопротивление, экипажи при встрече с вражескими истребителями предпочитали не выдвигать башни, а пытались уйти на максимальной скорости. Поэтому на G3M2c от верхних башен отказались, перенеся пулемёты в каплевидные блистеры по бокам фюзеляжа. Уже в 1938 г. началась передача G3M2 ранних выпусков в учебные части – 21 самолёт модели 21 переоборудовали в модификацию G3M2-K.
В 1940 г. в части начали поступать самолёты G3M2 модель 22. На них отсутствовала нижняя выдвижная башня, а боковые пулемётные блистеры был сдвинуты в корму. На фюзеляже вместо задней башни установили большой застекленный обтекатель, прозванный за характерную форму «панцирем черепахи», а в нем – 20-мм пушку тип 99 модель 1, имевшую угол возвышения 90’ и боковые углы обстрела по 15° вправо и влево. Передняя верхняя выдвижная башня с пулемётом сохранялась.
До февраля 1941 г. завод в Ои выпустил 238 самолётов G3M2 модель 22. В это число вошло и небольшое количество самолётов эскортной модификации. Такие самолёты не несли бомб, но имели экипаж, увеличенный с 7 до 10 человек и усиленное вооружение: четыре дополнительных пулемёта установили в боковых окнах фюзеляжа. Предполагалось, что эскортные самолёты будут включаться в боевые порядки соединений бомбардировщиков, защищая их от атак вражеских истребителей. Однако от массового выпуска этих машин отказались в пользу эскортной модификации нового бомбардировщика G4M1 (в конце концов, и это намерение не было реализовано). Более широко применялся фоторазведывательный вариант G3M2-Kan, в котором на месте бомбардира смонтировали аэрофотоаппарат для плановой съёмки. Действуя с высот 8500-10000 м, такие самолёты были практически недосягаемыми для вражеских истребителей. В феврале-апреле 1941 г. поставили 37 G3M2-Kan, поступивших на вооружение 3-го кокутая. Часть, базировавшаяся в Такао на Формозе, уже 18 апреля 1941 г. приступила к разведывательным полетам над Филиппинами. В мае-июне с баз на Пелелиу, Труке и Тиниане разведчики осуществляли тайные миссии над Новой Британией, Рабаулом, Гуамом и Французским Индокитаем, а в ноябре вновь интенсивно действовали над Филиппинскими островами, готовя будущую десантную операцию. В этих полётах ни один G3M2-Kan не был сбит, хотя на их перехват неоднократно поднимались истребители. Правительство США регулярно заявляло протесты в связи с нарушением воздушного пространства Филиппин и Гуама «неидентифицированными» самолётами, но японские власти эти протесты попросту игнорировали.
В конце 30-х гг. бомбардировщики G3M2 были основной ударной силой базовой авиации Императорского флота
Пара G3M3 из кокутая «Михоро». Самолёты этой модификации отличались характерным обтекателем верхней пушечной установки
С конвейера завода в Ои самолёт G3M2 был вытеснен новым G4M1. Но для боевых действий в Китае старый бомбардировщик ещё вполне годился. Часть офицеров даже протестовали против внедрения в серию G4M1, поскольку это могло задержать поставки столь нужных G3M2! В итоге, производство, казалось бы, устаревшей машины продолжилось – теперь их выпускал завод фирмы «Накадзима» в Коидзуми, изготовивший до 1943 г. ещё 412 самолётов. Строившиеся здесь бомбардировщики G3M2 модель 22 иногда получали дополнительный неподвижный пулемёт в носовой части фюзеляжа.
Специалисты «Накадзимы» не ограничились простым воспроизведением конструкции бомбардировщика – в июне 1942 г. появился вариант G3M3 модель 23 с двигателями «Кинсей» 51 (1300 л.с.) и увеличенным запасом топлива (5182 л). Со средины 1944 г. G3M3 применяются в качестве патрульных, причём примерно половина из них была оборудована радарами, а 20 самолётов модификации G3M3-Q получили магнитометры для обнаружения субмарин.