Một chiếc Ki-61 bị chiếm đang được Không lực Lục quân Hoa Kỳ bay thử nghiệm.

Chiếc máy bay tiêm kích mới Ki-61 Hien được đưa vào sử dụng cùng một đơn vị huấn luyện đặc biệt, Phi đội 23, và được đưa ra hoạt động chiến đấu lần đầu tiên vào mùa Xuân năm 1943 trong chiến dịch New Guinea. Ban đầu, do kiểu dáng khá bất thường đối với một chiếc máy bay tiêm kích Nhật Bản, phía Đồng Minh tin rằng nó có nguồn gốc từ Đức hay Ý, có thể là một chiếc Bf 109 chế tạo theo giấy phép nhượng quyền; kiểu dáng giống như của Italy đã làm cho chiếc máy bay được mang tên mã là "Tony".[8][9]

Đơn vị Sentai (phi đoàn) đầu tiên được trang bị toàn với kiểu máy bay Hien là Sentai 68 trú đóng tại Wewak, Tân Guinea, và được tiếp nối bởi Sentai 78 đặt căn cứ tại Rabaul. Cả hai đơn vị được gửi đến những chiến trường khó khăn, nơi mà rừng rậm và khí hậu khắc nghiệt cùng với việc thiếu thốn phụ tùng thay thế nhanh chóng làm lu mờ hiệu quả của máy móc và con người; điều này đặc biệt ảnh hưởng đến những kiểu máy bay mới được thiết kế, vốn có xu hướng gặp phải những vấn đề nhỏ ban đầu như trường hợp của chiếc Ki-61. Vào lúc đầu, chiến dịch này mang lại sự thành công cho Không lực Lục quân Nhật Bản, nhưng khi lực lượng Đồng Minh được tái tổ chức và nâng cao hiệu quả chiến đấu của các lực lượng không quân, họ giành lại được ưu thế trên không từ phía Lục quân Nhật Bản.[7]

Tỉ lệ tổn thất cao đã xảy ra trong một số trường hợp trong chiến dịch này. Ví dụ như, trong khi di chuyển giữa Truk và Rabaul, Sentai 78 thiệt hại 18 trong tổng số 30 chiếc Ki-61. Các đơn vị khác cũng có tham gia và đôi khi còn kém may mắn hơn: chỉ có hai chiếc trong tổng số 24 chiếc Ki-49 đến được Rabaul vào tháng 6 năm 1943. Hầu như tất cả các kiểu động cơ Nhật hiện đại, đặc biệt là kiểu động cơ làm mát bằng nước của Ki-61, phải chịu một loạt các hư hỏng tai hại tiếp nối nhau,[7] khiến cho chiếc máy bay tiêm kích lạc hậu Ki-43 phải đảm trách vai trò máy bay tiêm kích chủ yếu của Không lực Lục quân. Vào cuối chiến dịch, có gần 2.000 máy bay Nhật đã bị mất dưới sự tấn công liên tục từ trên không của khoảng 200 máy bay Đồng Minh mỗi đợt (trong số đó, khoảng phân nữa là những chiếc B-24 và B-25 trang bị bom miểng.[7] Sau khi quân Nhật rút lui, có hơn 340 xác máy bay đã được tìm thấy sau đó tại Hollandia.[7]

Ngay cả với những vấn đề như vậy, đã có một mối quan ngại chung ở phía Đồng Minh về kiểu máy bay tiêm kích mới này:

"Chiếc Hien được đưa vào chiến đấu từ mùa Xuân năm 1943 tại chiến dịch Tân Guinea, hoạt động tại Tân Guinea, quần đảo Admiralty, Tân Britain và Tân Ireland. Chiếc máy bay tiêm kích Nhật Bản mới đã gây ra sự đau khổ và khiếp đảm trong các phi công Đồng Minh, đặc biệt là khi họ nhận ra rằng không thể tiếp tục bổ nhào để né tránh những chiếc máy bay tiêm kích Nhật Bản nhẹ hơn... Tướng George Kenney, Tư lệnh lực lượng không quân Đồng Minh tại Mặt trận Tây Nam Thái Bình Dương, nhận thấy những chiếc P-40 Warhawk của ông bị vượt qua toàn diện, đã nài xin cho có được nhiều chiếc P-38 Lightning hơn để đối chọi lại mối đe dọa của kiểu máy bay tiêm kích mới của đối phương."[10]

Chiếc Ki-61 cũng được sử dụng tại Đông Nam Á, Okinawa, Trung Quốc, và như một máy bay tiêm kích đánh chặn khi Hoa Kỳ ném bom Nhật Bản, kể cả để chống lại những chiếc B-29 Superfortress. Chiếc Ki-61 thật đáng chú ý vì nhiều lý do: ban đầu được nhận diện như là mộ kiểu máy bay có nguồn gốc từ Đức hay Italy, những máy bay này có khả năng theo kịp về tốc độ những máy bay Đồng Minh như chiếc P-40, và sau này những cuộc đánh giá đã xác nhận, vượt hơn hầu như về mọi mặt. Tuy nhiên, vũ khí trang bị cho những chiếc Hien ban đầu còn yếu, tuy đủ dùng cho hầu hết các mục đích. Trong số những chiếc máy bay tiêm kích Đồng Minh đối đầu trong giai đoạn đầu của Thế Chiến II, chỉ có P-38 là vượt hơn nó.[11] Chiếc Ki-61 cũng mang một lượng lớn nhiên liệu, nhưng nhờ có thùng nhiên liệu tự hàn kín, nó không được xem là "dễ dàng bắt lửa" như nhiều chiếc máy bay Nhật Bản khác.[6]

Do trọng lượng nặng hơn, tính năng bay của chiếc Ki-61 và độ nhanh nhẹn bị ảnh hưởng khi các trang bị vũ khí mạnh hơn, nhưng nó vẫn có khả năng đạt được tốc độ tối đa 580 km/h (313 hải lý mỗi giờ). Khẩu pháo được trang bị là vũ khí cần thiết để đối chọi cùng những chiếc máy bay ném bom Đồng Minh, vốn đã chứng tỏ là rất khó bị bắn hạ chỉ với súng máy 12,7 mm. Trọng lượng không tải và trọng lượng tối đa của chiếc nguyên mẫu Ki-61 (2 x 12,7 mm + 2 x 7,7 mm) tương ứng là 2.238 kg (4.934 lb) và 2.950 kg (6.504 lb); của chiếc Ki-61-I căn bản (4 x 12,7 mm) là 3.130 kg (6.900 lb); và của phiên bản Ki-61-KAI (2 x 12,7 mm + 2 x 20 mm) tương ứng là 2.630 kg (5.798 lb) và 3.470 kg (6.750 lb).[6]

Một số chiếc Ki-61 cũng được sử dụng trong các phi vụ cảm tử Tokkotai (Thần phong kamikaze) cho đến lúc kết thúc chiến tranh. Chiếc Ki-61 được bộ trí đến Sentai (liên đội) 15 cũng như một số Chutaicho (phi đội) độc lập thuộc các Sentai khác, và ngay cả các đơn vị hoạt động huấn luyện của Không lực Lục quân Nhật. Chiếc máy bay hầu như không gặp sự cố gì trong hoạt động ngoại trừ việc kiểu động cơ làm mát bằng nước thường bị quá nóng khi đậu nổ máy trên mặt đất cũng như chịu trục trặc trong lưu chuyển dầu động cơ và các vòng bi.[12]

Đơn vị tấn công đặc biệt Ki-61

Chiến thuật sử dụng máy bay lao thẳng vào máy bay ném bom B-29 Hoa Kỳ không phải là điều mới lạ vào năm 1944. Việc dùng máy bay Ki-61 lao thẳng vào máy bay ném bom được ghi nhận lần đầu tiên vào cuối tháng 8 năm 1944, trong một trận không kích mà những chiếc B-29 xuất phát từ các sân bay ở Trung Quốc ném bom các nhà máy thép ở Yahata, binh nhì Shigeo Nobe thuộc Sentai 4 đã chủ định lao máy bay của anh vào một chiếc B-29. Các cuộc tấn công khác kiểu này được tiếp nối, do hậu quả các phi công riêng lẻ xác định rằng đó là cách thực tế nhất để tiêu diệt B-29. Vào ngày 7 tháng 11 năm 1944, tư lệnh của Hiko Shidan (quân đoàn bay) số 10 đã đưa chiến thuật này trở thành chính thức bằng cách thành lập các các nhóm tấn công đặc biệt nhằm đối đầu những chiếc B-29 ở tầm cao. Chiếc máy bay được tháo bỏ vũ khí và các hệ thống bảo vệ nhằm có thể đạt được độ cao cần thiết. Các đơn vị được bố trí đến Quân đoàn 10 bao gồm Hiko Sentai (liên đội) 244, lúc đó dưới quyền chỉ huy của Đại úy Takashi Fujita đã tổ chức một nhóm chuyên lao máy bay đặt tên là Hagakure-Tai ("Đơn vị tấn công đặc biệt"), bao gồm ba thành phần: Chutai (phi đội) số 1 "Soyokaze", Chutai số 2 "Toppu" và Chutai số 3 "Mikazuki".

Trung úy Toru Shinomiya được chọn để lãnh đạo nhóm tấn công, anh ta đã trở nên nổi tiếng vì đã lao vào một chiếc B-29 Mỹ và sống sót để kể lại câu chuyện. Shinomiya tấn công chiếc B-29 vào ngày 3 tháng 12 năm 1944, và đã măng được chiếc máy bay bị hư hại cùng anh quay trở về, sau này anh ta bị thiệt mạng như một phi công Tokkotai (kamikaze) trong Trận chiến Okinawa. Một phi công khác của Liên đội 244, Masao Itagaki, thực hiện một cú tương tự cùng vào dịp đó, nhưng anh ta phải nhảy dù ra từ chiếc máy bay bị hỏng nặng. Một phi công thứ ba, Nakano, thuộc Hagakure-Tai của Liên đội 244 đã lao vào một chiếc B-29 khác và bị rơi chiếc Ki-61 của anh ta trên một cánh đồng. Trung sĩ Shigeru Kuroishikawa cũng là một thành viên lỗi lạc khác của đơn vị.

Sự hiện diện của đơn vị tấn công lao máy bay được giữ kín cho đến lúc đó, nhưng nó được chính thức công khai trong các thông báo kết quả chiến sự và được Bộ Tổng tư lệnh phòng thủ đặt tên chính thức là "Shinten Seiku Tai" ("Heart of Heaven Intercept Unit"). Nhưng những phi công này không có được sự trì hoãn, và cho dù với những thành công như vậy họ bị buộc phải tiếp tục chiến thuật tấn công nguy hiểm chết người này cho đến khi họ bị giết hay bị thương nặng đến mức không thể bay được nữa. Họ được xem là những người bất hạnh và được tôn vinh trong số những người đi đến cái chết chắc chắn như các phi công cảm tử Tokkotai (kamikaze). Một số phi công lái Ki-61 khác đã trở nên nổi tiếng, trong số họ có Thiếu tá Teruhiko Kobayshi là người được ghi nhận có khoảng một tá chiến công hầu hết là do các cuộc tấn công thông thường chống những chiếc B-29.[13]