Việc thiết kế chiếc Ki-84 được bắt đầu từ đầu năm 1942 nhằm đáp ứng một yêu cầu của Không lực Lục quân Đế quốc Nhật Bản về một kiểu máy bay tiêm kích thay thế cho chiếc Nakajima Ki-43 "Hayabusa" vốn vừa mới được đưa vào hoạt động. Bản tiêu chuẩn đã mường tượng ra nhu cầu phải phối hợp độ cơ động của chiếc Ki-43 với tính năng bay có thể theo kịp những máy bay tiêm kích tốt nhất và trang bị vũ khí nặng của phương Tây.[1] Chiếc Ki-84 bay chuyến bay đầu tiên vào tháng 3 năm 1943.[2]

Chiếc Ki-84 đã khắc phục được phần nào những điểm than phiền hay gặp nhất đối với kiểu máy bay thông dụng có độ cơ động cao Ki-43: động cơ không đủ công suất, vỏ giáp bảo vệ kém và tốc độ lên cao yếu. Chiếc Ki-84 được giới thiệu với hai khẩu súng máy 12,7 mm (0,5 inch) và hai khẩu pháo 20 mm, một cải thiện đáng kể so với một khẩu súng máy 7,7 mm và một khẩu 12,7 mm trang bị cho chiếc Hayabusa. Vỏ giáp bảo vệ cho phi công lái Hayate tốt hơn là những thùng nhiên liệu trên cánh không tự hàn và khung hợp kim nhẹ của chiếc Ki-43. Thêm vào đó, chiếc Ki-84 trang bị kính nóc buồng lái dày 65 mm, vỏ giáp 13 mm phía đầu và lưng, và nhiều vách ngăn trong thân để bảo vệ thùng hỗn hợp methanol-nước (dùng để tăng thêm hiệu quả bộ siêu tăng áp) và thùng nhiên liệu trung tâm.

Nhưng chính là động cơ đã cung cấp cho chiếc Hayate tốc độ và năng lực trong chiến đấu. Áp dụng kiểu động cơ Nakajima Homare được dùng cho nhiều máy bay Nhật khác, chiếc Hayate sử dụng một phiên bản cải biến phun nhiên liệu trực tiếp, dùng cách phun nước để hỗ trợ bộ siêu tăng áp, cung cấp cho chiếc Ki-84 công suất lên đến 2.000 mã lực khi cất cánh. Sự phối hợp này trên lý thuyết ít nhất sẽ đem lại tốc độ lên cao và vận tốc tối đa ngang ngửa với những chiếc máy bay tiêm kích hàng đầu của Đồng Minh trong giai đoạn sau của cuộc chiến tại Thái Bình Dương, chiếc P-51D Mustang và chiếc P-47D Thunderbolt (đạt được tốc độ tối đa 433 và 426 dặm mỗi giờ tương ứng). Những thử nghiệm ban đầu của chiếc Hayate do Tachikawa thực hiện vào đầu mùa Hè năm 1943 cho thấy Trung úy phi công thử nghiệm Funabashi đã đạt được tốc độ tối đa khi bay ngang là 634 km/h (394 dặm mỗi giờ) trên chiếc nguyên mẫu thứ hai, nhưng sau chiến tranh một chiếc do Quân đội Mỹ chiếm được, sử dụng nhiên liệu có chỉ số octane cao đã đạt được tốc độ lên đến 690 km/h (430 dặm mỗi giờ).

Tuy nhiên, sự phức tạp của kiểu động cơ phun nhiên liệu trực tiếp đòi hỏi rất nhiều cẩn thận trong chế tạo và bảo trì, và khi phe Đồng Minh tiến sát đến chính quốc Nhật Bản, ngày càng khó khăn hơn trong việc hỗ trợ tính năng được thiết kế của Hayate. Vấn đề về độ tin cậy bị làm trầm trọng hơn khi Đồng Minh phong tỏa tàu ngầm làm ngăn trở việc vận chuyển các thành phần cốt yếu như bộ càng đáp. Hậu quả là nhiều chiếc Hayate bị gãy càng đáp khi hạ cánh.