Для нового Ки-15-11 был выбран двигатель Мицубиси Ха-26-I -14-цилиндровый, воздушного охлаждения, который имел меньший диаметр, чем 9-цилиндровый Ха-8, что значительно улучшило обзор с самолета. Первый Ки-15-II с двигателем Ха-26-I был закончен в июне 1938 г и во время испытаний показал максимальную скорость в 510 км/ч - на 30 км/ч больше, чем у Ки-15-I. Несмотря на столь высокие летные данные, самолет был запущен в серию только в сентябре 1939 г под обозначением "разведывательный самолет тип 97 модель 2". По крайней мере два самолета были закончены в почтовом варианте под обозначением "Каригане"-П ("Дикий гусь"-Н). Один из них носил собственное имя J-BAAO - "Амакадзе" (Порыв). Вместе с J-BACL использовался газетой "Асахи Симбун".
Возможность Ки-15 вести разведку в глубине территории Китая привлекла к нему внимание имперского флота, который тогда не имел своего скоростного разведчика и использовал для визуальной разведки истребители "тип 96>м везде, где ожидалось противодействие китайской авиации. В результате в 1938 г флот заказал 20 самолетов по образцу Ки-15-II, но с флотской радиостанцией и фотоаппаратом. Самолет получил во флоте обозначение "разведчик морской тип 98 модель 1" или С5М1. Он оснащался двигателем Мицубиси "Цуйсей"-12 мощностью 875 л.с. - флотский вариант Ха-26-I. Еще 30 подобных машин были заказаны в 1940 г под обозначением С5М2. Эта была уже специальная флотская модификация под двигатель Накадзима "Сакае"-12 мощностью 950 л.с. с трехлопастным винтом. Несмотря на более мощный двигатель, С5М2 оказался менее скоростным, чем Ки-15-11, за счет большего взлетного веса и оснащения дополнительным оборудованием.
Наиболее скоростной версией стал Ки-15-111, спроектированный в 1939 г. Два опытных самолета были оснащены двигателями Мицубиси Ха-102 мощностью 1050 л.с. с трехлопастными винтами. Их максимальная скорость достигла 530 км/ч. Однако, к тому времени уже проходил испытания Мицубиси Ки-46, который должен был сменить Ки-15. В результате Ки-15-III так и не пошел в серию. Всего было выпущено 439 самолетов Ки-15.
С началом войны на Тихом океане японская армия и флот продолжали использовать Ки-15-II и С5М2 - они применялись в Юго-Восточной Азии. Один С5М2 из состава 22-й штабной сентай обнаружил 10 декабря в море британские линейные корабли "Принц Уэлльский" и "Рипулс", что привело к последующему уничтожению этих кораблей японской авиацией. Разведчик использовался еще в течение года, но встречи с более скоростными истребителями союзников для самолета без бронезащиты пилота и протектированных баков не оставляли ему никаких шансов выжить. Ки-15 вывели из состава боевых частей, но продолжали использовать в качестве связных или учебных машин, а некоторые машины в конце войны использовались пилотами-камикадзе.