Первые три опытных самолета были выпущены с декабря 1942 г по март 1943 г, но Мицубиси к тому времени уже имела заказ на установочную партию для войсковых испытаний. Первый опытный самолет полетел 27 декабря 1942 г. Вооружение состояло из одного 7,92-мм пулемета "тип 98" в носовой и двух бортовых установках и по одному 12,7-мм пулемету в верхней и задней башнях. Несмотря на некоторую курсовую не устойчивость и излишнюю чувствительность управления на некоторых режимах, испытания были очень благоприятными для Мицубиси. Хотя максимальная скорость на высоте 6090 м достигала 537 км/ч - несколько ниже задания, другие требования были легко выполняемыми. Самолеты для войсковых испытаний были доработаны в плане управляемости. Теперь Ки-67 демонстрировал отличную маневренность - без бомб он крутил петли и восходящие бочки. При этом самолет легко управлялся даже на 600 км/ч при пикировании. Самолеты для войсковых испытаний (с четвертого по девятнадцатый) имели увеличенный с 2566 до 2886 л запас топлива. Вооружение было усилено: 7,92-мм пулемет в носу был заменен на крупнокалиберный, а пулемет в верхней башне - на 20-мм пушку Хо-5. Боковые 7,92- мм пулеметы теперь стояли в блистерах.
В декабре 1942 г было предложено переделать Ки- 67 в торпедоносец. В результате 5 января 1943 г Мицубиси получила приказ установить на 100 бомбардировщиков держатели для торпед. Для испытания в новой роли были переделаны 17-й и 18-й Ки-67. Обе машины испытывались в Йокосуке на базе флотской авиации. Испытания закончились полным успехом и было решено не ограничиваться только сотней машин. Начиная со 161-го "Хирю", все бомбардировщики стали оснащаться держателями под торпеды. Воздушный штаб флота разрешил передачу нескольких Ки-67 флоту, где они получили обозначение "Ясукуни" - по названию храма, посвященному Неизвестному солдату.
Армии самолет так понравился, что в руководстве никак не могли сойтись во мнении для чего его использовать в первую очередь, и производство даже было поставлено под угрозу, так как долго не определялся состав стандартного оборудования. Но все определили требования войны - 2 декабря 1943 г Мицубиси получила приказ выпускать только одну стандартную версию самолета. Вооружение было вновь усилено: 7,92- мм пулеметы в боковых блистерах были заменены на 12,7-мм "тип 1". Самолет получил обозначение "тяжелый бомбардировщик армейский тип 4" (Ки-67-I).
Первый боевой вылет Ки-67-1 состоялся в составе 7-гои 98-го сентаев и флотской 762-й кокутай, которые участвовали в торпедных атаках во время сражения у Тайваня в октябре 1944 г. Особенно активно армейские и флотские Ки-67 действовали в качестве торпедоносцев в районе Окинавы. В качестве бомбардировщика "Хирю" действовал в Китае, а с баз в Хамамацу, используя в качестве аэродрома подскока Ивадзиму, Ки-67 постоянно совершали налеты на аэродромы В-29 на Марианских островах.