Ki-49 được thiết kế để thay thế cho kiểu Mitsubishi Ki-21, vốn đã được Không lực Lục quân Đế quốc Nhật Bản đưa vào hoạt động từ năm 1938. Học hỏi từ những hoạt động thử nghiệm của chiếc Ki-21, Lục quân nhận thức rằng cho dù có tiến bộ bao nhiêu vào thời đó, chiếc máy bay ném bom Mitsubishi của họ cũng không thể hoạt động mà không có máy bay tiêm kích theo hộ tống. Kết quả là Lục quân Nhật Bản đã đặt điều kiện rằng chiếc máy bay thay thế nó phải có tốc độ nhanh và vũ khí tự vệ cho phép nó hoạt động độc lập.

Chiếc nguyên mẫu bay lần đầu tiên vào tháng 8 năm 1939 và chương trình phát triển được tiếp tục qua ba chiếc nguyên mẫu và bảy chiếc máy bay tiền sản xuất. Chiếc nguyên mẫu đầu tiên trang bị một cặp động cơ Nakajima Ha-5 KA-I bố trí hình tròn công suất 950 mã lực (708 kW), nhưng hai chiếc sau gắn động cơ Nakajima Ha-41 1.250 mã lực (932 kW) dự định sẽ sản xuất hằng loạt. Bảy chiếc thử nghiệm khác được tiếp tục sản xuất, và nó kết thúc quá trình thử nghiệm kiểu máy bay này.

Đến tháng 3 năm 1941, chiếc Donryu được sản xuất hằng loạt dưới tên gọi Máy bay Ném bom Hạng nặng Lục quân loại 100 Kiểu 1.