Ki-10 tham gia hoạt động tại Mãn Châu và miền Bắc Trung Quốc trong một số chiến dịch mở màn của Chiến tranh Trung-Nhật. Kiểu máy bay này tỏ ra xuất sắc trong các trận không chiến với các máy bay của không quân Trung Quốc, trong đó có trận Vũ Hán. Tuy nhiên, đến khi tham gia Chiến dịch Khalkhyn Gol chống lại Liên Xô, nó đã trở nên quá lỗi thời.

Khi Chiến tranh Thái Bình Dương bùng nổ, Ki-10 chỉ còn đóng vai trò là một máy bay phục vụ huấn luyện và tham gia các phi vụ không quan trọng. Tuy nhiên sau đó kiểu máy bay này lại trở lại hoạt động với nhiệm vụ tuần tra tầm ngắn và trinh sát tại Nhật Bản và Trung Quốc tháng 1- tháng 2 1942.