Hoạt động của nó bắt đầu bằng việc gửi một đơn vị thử nghiệm, Chutai (đại đội bay độc lập) số 47 "Kawasemi Buntai" đến Sài Gòn, Đông Dương vào tháng 12 năm 1941 với 9 máy bay dưới sự chỉ huy của Thiếu tá Toshio Sakagawa, đơn vị sau này trở thành Sentai (trung đoàn bay) số 47 và quay trở về phòng thủ chính quốc. Nhiều máy bay được gửi đến Trung Hoa và các nơi khác để phòng thủ các mỏ dầu ở Sumatra, Indonesia, ở Mặt trận Trung Hoa-Miến Điện-Ấn Độ, Philippines, phòng thủ các đô thị Nhật Bản và các phi vụ Thần Phong (Kamikaze) vào giai đoạn cuối của cuộc chiến.

Phiên bản 'Tojos' 2c, trang bị pháo cỡ lớn, được dùng chống lại B-29 bởi 1 phi đội cảm tử đặc biệt[2]. Một đội có ít nhất 4 máy bay của Sentai số 47, đơn vị "Shinten Seiku Tai" (Bảo vệ Bầu trời) đóng tại sân bay Narimasu, chuyên đâm vào những mục tiêu máy bay ném bom trong cuộc phòng thủ bảo vệ Tokyo.

Nakajima Ki-44 một thời được trang bị cho 12 sentai (trung đoàn bay) của Không lực Bộ binh Nhật số: 9, 22, 23, 29, 47, 59, 64, 70, 85, 87, 104, 246 và hoạt động cho đến khi được thay thế một phần bằng Nakajima Ki-84 "Hayate" trong những trận cuối cùng. Không quân Mãn Châu Quốc cũng nhận được vài kiểu mẫu của máy bay này trong chiến tranh.

Sử dụng sau chiến tranh

Sau Thế Chiến II, Phi đội 18 thuộc Không đoàn 6 của Không quân Trung Hoa Dân Quốc được trang bị Ki-44, trước đây thuộc Sentai số 9 đã bị giải thể tại Nanking, và của Sentai số 29 bị giải thể tại Đài Loan[2] và nó tham gia vào Nội chiến Trung Quốc. Không quân Giải Phóng Quân Trung Quốc lấy được số máy bay của Sentai số 22 và số 85 bị giải thể tại Chosen (tên người Nhật đặt cho Triều Tiên trong thời kỳ chiếm đóng đất nước này 1910-1945). Những máy bay này được lái bởi lính đánh thuê Nhật, và được dùng cho đến khi 2 chiếc Ki-44 cuối cùng nghỉ hưu những năm đầu thập niên 1950.