Поставки Ки-21-II в армию набирали "обороты" в течение первых месяцев 1941 г, и большинство соединений успели перевооружиться на новую модель еще до начала войны на Тихом океане. Уже готовясь к войне, по плану боевых действий 3-я хикосидан была нацелена на поддержку сил вторжения в Малайе и Бирме. В ее составе были сентаи NN 12, 60, 92. Но полностью передислоцироваться из Китая в Индокитай дивизия не успела. Боевые действия велись в очень тяжелых условиях - не хватало запчастей из-за удаленности от Японии и трудностей с их доставкой. К тому же основная база дивизии - аэродром в Пномпене - была выведена из строя из-за проливных дождей. Однако одно из подразделений, расположенное в Сайгоне, сумело успешно поддержать высадку войск в Кота-Бхару.
В течение следующих двух месяцев Ки-21 3-й дивизии во всю поддерживали наступление армии, пользуясь отсутствием противодействия в воздухе. А вот 14-у сентаю 4-й хикосидан, который вел боевые действия на Филиппинах, а потом в Бирме, повезло меньше. В Бирме 14-й сентай вместе с 62-м сентаем основной целью имел авиабазу Таунгоо в Рангуне, где японцы встретили сильное противодействие в лице "Томахоков" американских добровольцев и "Буффало" из 67-й эскадрильи британских ВВС. В этих боях 14-й сентай потерял почти все свои самолеты. К счастью для японцев на этой стадии войны встречи с современными истребителями противника были редкостью.
Такой боевой опыт обратил на себя внимание штаба армейских ВВС. Были учтены требования экипажей к улучшению оборонительного вооружения. Главным недостатком самолета были малые углы обстрела из верхнего 7,7-мм пулемета. Начиная с Ки-21-IIa N 1026-590, Мицубиси отказалась от верхнего фонаря стрелка, установив большую, сферическую башню с одним 12,7-мм пулеметом "тип 1". Башня поворачивалась с помощью привода от велосипедных педалей. Новый пулемет имел более высокую начальную скорость пули и большие углы обстрела, но эта мера незначительно улучшила оборонительный потенциал бомбардировщика. Новый вариант бомбардировщика получил обозначение Ки-21-IIb. Начиная с 275-й машины, стали устанавливаться 16-мм и 12,5-мм бронеплиты сзади и спереди пилота. Еще несколько 16-мм бронеплиток использовалось для защиты верхнего стрелка.
Когда войска союзников приняли условные обозначения японских самолетов, Ки-21, как наиболее известный самолет японских армейских ВВС, получил обозначение "Джейн" по имени жены генерала Макартура. Генерал счел эту честь сомнительной, и вскоре обозначение поменяли на "Салли". Когда американцы впервые увидели Ки-21-ИЬ без столь знакомой "беседки", то сначала предположили, что это новый тип самолета, которому дали обозначение "Гвин". Позднее, когда все прояснилось, название "Салли" вернули.