Được trang bị kiểu động cơ Daimler-Benz DB 601 chế tạo theo giấy phép nhượng quyền, chiếc Ki-61 mang dáng dấp tương tự như chiếc Messerschmitt Bf 109 khiến phía Đồng Minh tin rằng nó là một chiếc máy bay Bf 109 được chế tạo theo giấy phép nhượng quyền tại Nhật Bản.

Trong tất cả các phiên bản, chiếc Ki-61 Hien là một máy bay tiêm kích một động cơ một chỗ ngồi cấu tạo hầu như toàn bằng kim loại; chỉ có các bề mặt kiểm soát bay được phủ vải. Nó được cấu tạo chắc chắn và khá nặng đối với một kiểu máy bay Nhật Bản. Phần sau thân có mặt cắt hình tam giác và tương đối dài đối với một chiếc tiêm kích trang bị kiểu động cơ DB-601, và có dạng "lưng dao cạo" phía sau buồng lái. Động cơ gắn phía trước mũi cùng một cặp súng máy Ho-103 12,7 mm. Kiểu súng máy Ho-103 là một vũ khí nhẹ (khoảng 23 kg) so với cỡ nòng của nó, và bắn ra đầu đạn nhẹ nhưng được bù lại bằng tốc độ bắn nhanh. Trữ lượng đạn bị giới hạn chỉ có 250 viên đạn cho mỗi khẩu. Kính chắn gió chống đạn cùng với tấm giáp thép bảo vệ phi công dày 13 mm. Trữ lượng nhiên liệu là vào khoảng 550 L (145 gal) cho phép có tầm bay xa đến trên 1.000 km (540 hải lý) mà không cần thùng nhiên liệu phụ. Cánh có diện tích khá lớn, nên có áp lực cánh thấp. Cánh cũng mang một cặp súng máy hay pháo và bộ càng đáp gấp lên. Nhìn chung, tính năng bay của chiếc Ki-61 là tốt nhất trong số các kiểu máy bay tiêm kích trang bị kiểu động cơ DB-601, bao gồm chiếc Bf 109 phiên bản E và F, chiếc Macchi C.202 và chiếc Reggiane Re.2001.

Các nhà thiết kế Takeo Doi và Shin Owada đã thiết kế chiếc Ki-61 Hien song song với kiểu máy bay tiêm kích đánh chặn Kawasaki Ki-60. Được xây dựng chung quanh kiểu động cơ Ha-40 (một bước phát triển của kiểu động cơ Kawasaki V12, vốn là một phiên bản chế tạo theo giấy phép nhượng quyền của loại động cơ Đức Daimler-Benz DB 601A), chiếc Ki-61 đã cải tiến trên thiết kế của chiếc Ki-60 với thay đổi thiết kế cánh và nhiều biện pháp làm suôn thẳng và giảm trọng lượng. Nó bay chuyến bay đầu tiên vào tháng 12 năm 1941. Cho dù các phi công thử nghiệm rất phấn khích về các thùng nhiên liệu tự hàn kín, vũ khí được nâng cấp và khả năng bổ nhào tốt, áp lực cánh lên đến 146,3 kg/m² (30 lb/ft²) được xem là vượt quá tiêu chuẩn của Nhật Bản. Chiếc Ki-43-Ia có áp lực cánh 92,6 kg/m² (19 lb/ft²) được xem là tới hạn.[2]

Để giải quyết mối quan tâm này, Kawasaki đã đề nghị một cuộc bay loại giữa hai chiếc nguyên mẫu Ki-61 cùng với chiếc Ki-43-II, chiếc Ki-44-I phiên bản tiền sản xuất, chiếc LaGG-3 (do một kẻ đào ngũ bay sang Mãn Châu), chiếc Bf 109E-3 và một chiếc P-40E Warhawk chiếm được. Kiểu Ki-61 đã chứng minh được là chiếc nhanh nhất trong tất cả những máy bay đó và chỉ kém chiếc Ki-43 về độ cơ động.[2][3][4][5]

Chiếc Ki-61 là kiểu máy bay tiêm kích cuối cùng trang bị dòng động cơ DB-601, và nó nhanh chóng bị vượt qua bởi những chiếc máy bay tiêm kích trang bị động cơ mạnh hơn. Vào lúc nó bay chuyến bay đầu tiên vào tháng 12 năm 1941, chỉ một năm sau chuyến bay đầu tiên của chiếc Macchi và ba năm sau chiếc Bf 109E, dòng động cơ DB-601 đã tỏ ra yếu kém so với những kiểu động cơ thẳng hàng 1.500 mã lực hay động cơ bố trí hình tròn 2.000 mã lực mới đang được phát triển (và gần được đưa vào sản xuất hàng loạt) nhằm cung cấp động lực cho thế hệ máy bay tiêm kích tiếp nối: những chiếc P-47, Fw 190 và Bf 109 G. Hơn nữa, kiểu động cơ thẳng hàng Ha-40 lại cho thấy là một động cơ kém tin cậy.[6][7]

Động cơ DB-601 mà chiếc Hien trang bị vốn được thiết kế với những giới hạn về dung sai khá nghiêm ngặt, và trên kiểu Ha-40 các kỹ thuật viên Nhật đã phát triển một phiên bản nhẹ hơn (khoảng 30 kg) đòi hỏi một dung sai ngặt nghèo hơn nữa. Đạt đến mức như vậy đã làm "kéo căng" khả năng của nền công nghiệp hàng không Nhật Bản, vốn còn làm phức tạp hơn bởi những biến động trong chất lượng của nguyên liệu, nhiên liệu và chất bôi trơn cần dùng cỗ máy tính năng cao và nhạy cảm này vận hành một cách trơn tru. Kiểu tương đương của Nhật Bản đối với loại động cơ mới DB-605 mạnh mẽ hơn chính là kiểu Ha-140, được trang bị cho Kiểu 3 để chế tạo chiếc máy bay tiêm kích đánh chặn tầm cao Ki-61-II.[6]

So với kiểu Ki-61-I, phiên bản Ki-61-II có diện tích cánh lớn hơn 10%, vỏ giáp tốt hơn, và với kiểu động cơ Kawasaki Ha-140 đã cung cấp được công suất 1.120 kW (1.500 mã lực). Sau khi vượt qua được những vấn đề về mất ổn định thân và cánh ban đầu, chiếc máy bay tiêm kích đánh chặn mới quay trở lại kiểu cánh ban đầu và được đưa vào hoạt động dưới tên gọi Ki-61-II-KAI. Tuy nhiên, kiểu động cơ Ha-140 lại có những vấn đề về độ tin cậy của riêng nó mà chưa bao giờ được giải quyết một cách trọn vẹn, và khoảng phân nửa trong số động cơ được sản xuất ở lô đầu tiên bị gửi trả lại nhà máy để chế tạo lại. Không lâu sau, một cuộc ném bom của Không quân Mỹ vào ngày 19 tháng 1 năm 1945 đã phá hủy nhà máy sản xuất động cơ tại Akashi, Hyōgo, để lại 275 khung máy bay Ki-61-II-KAI không được trang bị động cơ, mà sau này được chuyển đổi sang sử dụng kiểu động cơ bố trí hình tròn Mitsubishi Ha-112-II đưa đến kiểu máy bay Ki-100. Trong khi kiểu động cơ Ha-112 giải quyết được những vấn đề liên quan đến Ha-140, động cơ mới lại có một điểm yếu: thiếu động lực ở tầm cao, làm suy giảm khả năng đánh chặn những chiếc B-29 Superfortress bay cao so với những chiếc Ki-61-II.[6]