Chiếc Ki-51 được đưa ra sử dụng trước tiên tại các chiến dịch tại Trung Hoa, và sau đó để chống lại Đồng Minh cho đến khi chiến tranh kết thúc. Tại các chiến trường quan trọng, chiếc Ki-51 tương đối chậm là mồi ngon cho các máy bay tiêm kích Đồng Minh; nhưng tại các chiến trường thứ yếu, nơi khả năng cất cánh từ những sân bay dã chiến ngắn là quý giá, những máy bay này được dùng hỗ trợ mặt đất trong vô số chiến dịch. Trong giai đoạn cuối của chiến tranh nó còn được dùng trong các cuộc tấn công cảm tử kamikaze.