重新設計後的飛機被稱為“Ki-45改”，非正式名稱“Ki-45第二次性能提升型”。首架飛機在1941年8月於岐阜工廠下線，並在接下來的壹個月中進行了試飛。到1941年末川崎又生產了Ki-45改的兩架原型機和12架預生產型機，試飛結果令人滿意。日本陸軍決定將這種飛機以陸軍2式復座戰鬥機甲型“屠龍”的名稱投產，即Ki-45改甲，並指示川崎在岐阜工廠和新建的明石工廠同時生產“屠龍”。 1942年8月初，軍方試飛完成後，“屠龍”開始裝備第5戰隊，在來年7月部署到新幾內亞之前，該戰隊壹直作為轉換單位負責Ki-45改甲飛行員的訓練。第壹支“屠龍”作戰部隊是第21戰隊，10月部署到緬甸，壹個月後第16戰隊部署到中國。此時日軍掌握東南亞的天空，“屠龍”並不是能經常遇到敵機，所以大多進行反艦和對地攻擊任務，居然也很勝任。但是與其德國兄弟Bf110壹樣，在不多的空戰紀錄中，“屠龍”暴露出嚴重的問題。在與東南亞戰區最常見的盟軍戰機P-40的較量中，“屠龍”除速度略快外，其他性能都較差；20毫米航炮射速僅127發/分，在空戰中作用有限；最重要的是日軍對雙發戰鬥機的作用缺乏足夠的認識，指望“屠龍”能像單發戰鬥機那樣與敵機纏鬥，並沿用單發戰鬥機的多機編隊戰術，在面對P-40“打了就跑”的戰術時無力招架。飛行員對“屠龍”並沒有什麽好感，引擎和冷卻系統壹直麻煩不斷，而且馬力不足，後方視野很差，機腹機炮無法在飛行中填裝，唯壹值得稱道之處是“屠龍”裝備了自封油箱，此舉在同時代日式戰機中相當罕見。
川崎壹直在努力提升“屠龍”產量，大阪以西80公裏的兵庫縣明石工廠在1942年9月交付了第壹架Ki-45改甲，這架飛機是使用岐阜工廠的組件組裝的，6個月後明石工廠的產量就超過了岐阜工廠，1943年9月岐阜工廠停產“屠龍”。 就在Ki-45改甲交付使用時，川崎計劃研制壹種更強的改型，安裝兩具1，500馬力三菱Ha-112-II發動機的Ki-45-II。1942年12月，日本陸軍航空本部指示川崎將其設計成單座型，型號也改為Ki-96，在這種機型上又衍生出了後繼機Ki-102和Ki-108，這就不在本文範圍之內了。
為了增強“屠龍”的反艦和對地攻擊能力，川崎又研制了壹種特殊型號，Ki-45改乙，正式名稱陸軍2式復座戰鬥機乙型。Ki-45改乙初期型使用兩挺12.7毫米1式機鼻機槍，並在機腹加裝壹門手動填裝的98式37毫米炮。後期型發動機更換成14缸星形三菱Ha-102，起飛最大功率1，080馬力（2，700轉/分），2，800米高度時1，050馬力，5，800米高度時950馬力。三菱的發動機的引擎艙直徑比中島的要小，但長度增加。飛行總重量的增加抵消了馬力增長帶來的好處，所以Ki-45改乙性能基本無變化，但飛行員對Ha-102的可靠性給予好評。
Ki-45改“屠龍”頻頻出現在東南亞和荷屬東印度群島上空，盟軍代號“尼克”（Nick）。壹開始盟軍誤認為“屠龍”是日本生產的法國Potez63或德國Bf110的，後來壹份來自中國戰區的報告稱這是日本新研制的戰鬥機，型號I-45。1943年秋美國第5航空隊的北美B-25轟炸機對新幾內亞伯然機場進行奇襲時首次獲得了“屠龍”的清晰照片。Ki-45改對地攻擊作戰表現良好，特別是在攻擊美國海軍P.T.魚雷艇和盟軍裝甲車上，還造成了進行遠程轟炸任務的無護航B-24轟炸機的嚴重損失，這迫使第五航空隊司令肯尼將軍向美國陸軍航空隊施壓，要求裝備更多的P-38，這是盟軍僅有的可對B-24遠程任務護航的戰鬥機。 1943年9月2日，駐紮在新幾內亞的美國陸航第49戰鬥機大隊的P-38在壹次護航任務中首次遭遇“屠龍”。在這次B-17和B-26協同轟炸位於格魯斯特角日軍機場的任務中，15架P-38負責為低空的B-26和高空的B-17護航。轟炸進行的很順利，僅遭到壹些小口徑高炮的射擊。就在完成轟炸後轉向大海方向撤離時，B-17向P-38呼救，報告遭到壹種雙發戰鬥機的攻擊。
中隊指揮官格裏.約翰森帶領兩架僚機從4，500米高度朝壹架被攻擊的B-17俯沖過去，“屠龍”見事不妙，立即終止攻擊並企圖俯沖逃離。但P-38速度俯沖驚人，在3架閃電的射擊下，日機旋轉著，拖著黑煙墜落於環繞海灣的小山之間。
彼得.阿爾傑和僚機鎖定了另壹架正在攻擊B-17的“屠龍”。不過這個家夥並沒有俯沖脫離，反而試圖繞到P-38的後方。阿爾傑壹個急轉，很容易地就切入“屠龍”的內側，壹個點射後日機發動機起火。阿爾傑的僚機接著又將密集的12.7毫米子彈射入“屠龍”機身內，日機墜入海灣。
此時，另壹架P-38上的格羅夫.範寧目擊了這架“屠龍”的墜毀過程。他突發奇想，拿出隨身帶的柯達相機，收油門並向下俯沖，要拍下海面的浮油和殘骸。
當他正按下快門時，另壹架“屠龍”咬住了他的六點，白色的曳光彈擦著座艙飛過。範寧立即猛推油門並稍微拉桿，P-38很容易就甩開了日機。“屠龍”想跟進，此時範寧已經有了足夠的距離來實施P-38的絕活，他將左發油門拉到最小，用盡力氣拉出了壹個不可思議的側急轉。日本飛行員驚訝地發現原先還在追趕的敵機壹眨眼功夫已經迎頭沖了過來，立即左轉180度飛向高炮環伺的日軍機場尋求保護。範寧趕了上來，近距離將Ki-45擊落，“屠龍”墜毀在跑道盡頭。但隨後範寧也被機場防空火力擊落。之後P-38又擊落了第4架“屠龍”，日機拖著黑煙，翻滾著消失在雲中。 美軍飛行員很奇怪為什麽日軍要將“屠龍”投入空戰，實際上“屠龍”與英國的英俊戰士戰鬥機（Beaufighter）很相似，適合用於對地攻擊而不是空戰，Ki-45改乙的37毫米炮能對地面目標造成嚴重傷害。
B-24開始實施夜間轟炸之後，沒有組建特殊夜間戰鬥機單位的日本航空兵壹時壹籌莫展。為此壹些Ki-45改甲在機場改裝成夜間戰鬥機。當時日本沒有機載雷達，必須依靠地面引導和飛行員目視來截擊盟軍轟炸機。壹旦日本飛行員發現轟炸機，他們就打開Ki-45改甲機鼻下方的著陸燈，照亮獵物進行攻擊。這些早期的“屠龍”夜戰型增加了兩挺斜射12.7毫米1式機槍，安裝在原先飛行員和無線電員之間的機身主油箱位置。
1944年初日本戰爭部擔心波音B-29即將對本島進行的戰略轟炸以及美國陸軍航空隊可能選擇夜襲方式，急需裝備大量夜間戰鬥機。此時研制新型夜間戰鬥機已經來不及，鑒於在新幾內亞和臘包爾對Ki-45改進行改裝很成功，航空本部指示川崎開始生產“屠龍”的夜戰型。土井武夫決定以Ki-45改乙為藍本研制夜戰型，由於日本的機載雷達仍在研制中，所以工作也就局限在重新調整壹些儀表和軍械的布置上。夜戰型被稱為陸軍2式復座戰鬥機丙型，即Ki-45改丙，該型的機鼻更長更尖，內部沒有安裝任何武器。Ki-45改丙保留了機腹37毫米航炮，但型號改為半自動的Ho-203，攜彈16發，另外機身中部安裝兩門20毫米Ho-5斜射炮。最初的型號保留了後座的7.92毫米機槍。Ki-45改丙於1944年3月在明石工廠投產，次月完成首架飛機。
Ki-45改丙之所以取消前向火力，是因為B-29自衛火力太強，只有從目標下方接近和開火才能減少自身的損失。另外還專門設計了瞄準頭頂目標的瞄準器，但在實戰中收效不大。
1944年6月15日，XX轟炸機司令部的B-29首次轟炸日本本土，目標是九州八幡鋼鐵廠。編隊遭遇第4戰隊8架“屠龍”的攔截，日方聲稱有擊落了6架超級堡壘，擊傷7架的戰果。和德國表親Me110壹樣，“屠龍”在夜戰方面也頗多建樹，美國陸軍航空隊在日本上空被擊落的100余架B-29中，有2/3是“屠龍”包辦的。如果不是數量的不足和日軍人員的低素質，B-29的損失還要加大。