1938年，川崎重工下屬的岐阜工廠開始為日本陸軍航空隊設計Ki-45雙發戰斗機，第一架原型機于1939年1月出廠，在經過短暫的地面試驗后就開始試飛。該機后來裝備部隊后，還衍生出Ki-45改進丁型夜間戰斗機。

Ki-45戰斗機最初安裝兩臺中島Ha-20活塞式發動機，但這種引擎功率只有790馬力，限制了飛機性能的發揮。后來Ki-45戰斗機又更換了中島Ha-25發動機，但性能提升有限，直到四十年代初，三菱研制出功率1050馬力的Ha-102復列星型氣冷14缸發動機配備Ki-45，才算是解決了重要的動力問題。Ki-45戰斗機于1941年10月投產，在二戰中共造了1698架，該機是日本陸航唯一可以使用的夜間戰斗機。

該機采用全金屬半硬殼結構，座艙有17毫米厚的防彈板，以及自封閉油箱，這些設計在日軍作戰飛機中很少見。Ki-45乘員2人，自重4000公斤，最大起飛重量5500公斤，3500米高度最大航速545公里，續航里程2260公里，實用升限10000米；機載武器為一挺37毫米機炮，兩挺20毫米傾斜機炮，一挺7.7毫米后方旋回機槍；執行轟炸任務時可載250公斤重的航空炸彈。

制造Ki-45戰斗機最初的目的是為了滿足遠程跨海飛行護航作戰，因為該機在作戰行動中表現出色，于是在1944年發展出一種夜戰型，專門攔截夜間轟炸日本本土的美軍B-29轟炸機。這種夜間戰斗機稱為Ki-45改丁型，它拆除了后方7.7毫米機槍，加裝了兩挺12.7毫米斜射機槍。

總共有145架Ki-45戰斗機被改成夜間丁型，由于當時日軍沒有機載雷達，必須依靠地面引導和飛行員目視來攻擊盟軍飛機。

Ki-45改丙丁夜間戰斗機在作戰時，一旦發現來襲的轟炸機，飛行員就打開機鼻子下方的著陸燈，照亮目標進行攻擊。Ki-45對盟軍飛機是一種威脅，在二戰后期美軍陸航被擊落的100余架B-29轟炸機中，有60多架是被Ki-45戰斗機打下來的。不過此時日本已經處于日暮窮途的境地，145架改丁型夜間戰斗機也在不斷地損失，到1945年初，最后剩下的部分Ki-45改丁飛機根本不足為慮，再加上飛行員素質低下，已經對盟軍飛機構不成威脅。

走投無路的日軍還曾經將Ki-45戰斗機用于反艦作戰，雖然表現還行，但這點飛機起不了大作用。