Тем временем, на базе бомбардировщиков Ки-21 были сформированы 58-й и 61-й сентаи. Они вступили в строй к началу лета в составе 2-й "хико сидан" (авиадивизии) в Маньчжурии для действий против Китая. Однако уже к 31 мая потребовалось перебросить 12 Ки- 21 из состава 61-го сентая на Номонганское плато, к монгольской границе. Здесь "номонганский инцидент" уже перерос в настоящую войну между советско-монгольскими и японскими войсками. Вместе с дюжиной БР.20 из 12-го сентая Ки-21 впервые пересекли реку Халхин-Гол 27 июня. Это был массированный налет на аэродром Тамцак-Булак советского истребительного полка. Всего в налете участвовали 23 бомбардировщика и 70 истребителей. По советским данным были сбиты два бомбардировщика. Один Ки-21 совершил вынужденную посадку из-за отказа двигателя в пустыне около Тамцак-Булака и стал трофеем советских войск.
Впоследствии Ки-21 действовали весьма интенсивно - между 3 и 10 июля, поддерживая свои войска в Баин-Цаганском сражении, они вместе с БР.20 сбросили 174 тонны бомб. Но уже вскоре экипажи 61-го сентая стали испытывать сильную усталость, так как боевые действия в Китае исключали ротацию экипажей. Кроме того, экипажи Ки-21 страдали от кислородного голодания из-за низкой надежности кислородного оборудования, а плотный огонь ПВО советско-монгольских войск заставлял действовать только на больших высотах. Вскоре 61-й сентай был выведен из зоны боев. Несмотря на интенсивное использование в условиях превосходства советской авиации, потери составили три сбитых Ки-21. Еще три не подлежали восстановлению.
Опыт боев в небе Китая и на Халхин-Голе заставил пересмотреть состав оборонительного вооружения. Это привело, как говорилось выше, к варианту Ки-21- Ib. К трем 7,7-мм пулеметам добавили четвертый для стрельбы через бортовые окна в хвостовой части фюзеляжа. Был принят пулемет и в кинжальной установке, испытанной на первом предсерийном экземпляре. Бензобаки были частично протектированы резиной. Было введено бронирование мест экипажа. Более существенными изменениями стали увеличение бомбоотсека, увеличение площади закрылков и установка нового оперения большей площади.
Завод в Нагое успел выпустить 120 Ки-21-lb, когда появилась новая модификация - Ки-21-1с. Бомбардировщик получил дополнительный пулемет в боковом окне, была обеспечена возможность установки в заднем бомбоотсеке 500-л бака - запас топлива возрос до 3135 л. При установке этого бака четыре 50 кг авиабомбы подвешивались на внешних держателях. Увеличение взлетного веса привело к усилению стоек шасси и увеличению диаметра колес. Всего в Нагое было выпущено 160 Ки-21-1с. Последний из них стал 423 самолетом, построенным Мицубиси и сданным в декабре 1940 г. Завод в Оте закончил выпуск Ки-21-1с через два месяца - в феврале 1941 г, поставив 351 самолет.