Во время летных испытаний самолет легко выполнил все требования задания, а его управляемость и маневренность понравились пилотам-испытателям. Однако опытные самолеты страдали от флаттера оперения. Поэтому пять выпущенных в ноябре-декабре 1939 г предсерийных самолетов использовались для доработки хвостового оперения. Стабилизатор подняли на 400 мм, повысили жесткость хвостовой балки и проблема флаттера была решена. В конце 1939 г было решено запустить самолет в массовое производство под обозначением "двухмоторный легкий бомбардировщик армейский тип 99 модель 1А" (Ки-48-Ia).
Первый серийный Ки-48-Ia был выпущен в июле 1940 г и уже вскоре поступил на вооружение 45-го сентай, сменив там Кавасаки Ки-32. Осенью 1940 г этот сентая был переброшен в Северный Китай, где Ки-48 совершил свой боевой дебют. Не имея серьезного противодействия со стороны китайских ВВС, Ки-48-I показал себя вполне удовлетворительно. Особенно нравилась экипажам его скорость. Ки-48 использовался не только в качестве фронтового бомбардировщика, но совершал и стратегические, а также ночные полеты, готовясь к будущим боям на Тихом океане. Следующая серийная модель Ки-48-Ib (или "модель 1В") получила улучшенные пулеметные установки и некоторые небольшие доработки. Всего к июню 1942 г было выпущено 557 Ки-48-Ia и -lb. К началу войны на Тихом океане Ки-48-I оказался самым распространенным легким бомбардировщиком за пределами китайского фронта. Он состоял на вооружении в 8-м, 27-м, 75-м и 90-м сентаях, действовавших в Бирме, Малайе против англичан и на Филиппинах против американцев, а позже против голландцев в Ост-Индии. В боях с союзниками проявились недостатки Ки-48-1 - его скорость не позволяла уходить от истребителей союзников, а отсутствие бронезащиты экипажа и протектирования баков делали его слишком уязвимым. Чтобы снизить боевые потери, самолеты перенацелили на ночные налеты, что снизило эффективность их действия. К тому времени готовился новый вариант самолета.
Новый самолет получил вместо двигателей На- 25 моторы Накадзимы На-115 с двухскоростным нагнетателем. Под обозначением Ки-48-II его облетали в феврале 1942 г. Внешне Ки-48-II отличался от предшественника только несколько большей длиной фюзеляжа. Зато Ки-48-Il получил протектированные баки и бронезащиту экипажа: 12,5-мм бронеспинку бомбардира, 6,5-мм плиту под сиденьем пилота и 16,5-мм бронеспинку, 16,5-мм бронеплиты защитили ящики боезапаса. Уже через два месяца после первого полета Ки- 48-II самолет был запущен в производство под обозначением "двухмоторный легкий бомбардировщик армейский тип 99 модель 2А". Серийный Ки-48-IIa отличался от опытного самолета некоторыми доработками, вроде усиленного фюзеляжа. Ки-48-IIb или "модель 2В" был пикирующим бомбардировщиком с решетчатыми воздушными тормозами под крылом, модели Ки-48-IIa и - НЬ получили для улучшения устойчивости килевой гребень. Несмотря на то, что бомбовая нагрузка "модели 2" возросла вдвое по сравнению с "моделью 1", она была все еще мала - в этом отношении самолет уступал бомбардировщикам союзников. Так же была недостаточна и скорость - самолет был легкой целью для истребителей союзников. Много Ки-48 было потеряно и на земле во время боев в Новой Гвинее, несмотря на попытки рассредоточить и замаскировать машины на аэродромах в джунглях. Однако главным недостатком самолета было явно слабое оборонительное вооружение.
Все попытки усилить вооружение самолета мало к чему приводили. Так, испытания верхней башни с 20-мм пушкой оказались неудачными. Правда, в 1943 г на Ки-48-IIc вместо верхнего 7,7-мм пулемета "тип 89" установили 12,7-мм пулемет "тип 1". Дополнительно к носовому и нижнему 7,7-мм пулеметам в кабине бомбардира разместили третий такой же пулемет для стрельбы через боковые окна. Несмотря на эти доработки, Ки-48-II уже явно устарел, и в октябре 1944 г, после выпуска 1408 самолетов, его производство было остановлено. Ки-48-II еще активно использовались на Филиппинах и ночью над Окинавой. Однако большинство выживших Ки-48-II использовались в качестве самолетов камикадзе. Некоторые из этих машин получили обозначение "специальный штурмовой самолет армейский тип 99" (Ки-48-II КАИ). Их специально переделывали на 1-м армейском воздушном арсенале под 800-кг бомбу с длинной штангой взрывателя, выступающей вперед перед фюзеляжем.