Первые два Ки-46-Ill были готовы в декабре 1942 г. После ускоренных испытаний самолет был запущен в серию под обозначением "разведывательный армейский самолет, тип 100, модель 3". Ки-46-llI выпускался на заводе в Нагое вместе с предыдущей моделью -производство Ки-46-П было прекращено только в конце 1944 г, составив 1093 самолета. Однако в декабре 1944 г завод пострадал от землетрясения, а последующие налеты американских В-29 заставили перевести работы на новый завод в Тояма, где построили еще сотню самолетов. Последние серийные Ки-46-1II производства заводов в Нагойе и Тояме получили реактивные патрубки, что несколько улучшило скоростные данные самолета. Всего было выпущено 609 Ки-46-111.
Ки-46-III поступали в первую очередь в те районы, где союзники установили превосходство в воздухе, причем они часто использовались вместе с предыдущей моделью - Ки-46-II, которую так полностью и не заменили. После решения мелких проблем с системой впрыска топлива на Ха-112-II Ки-46-111 показал отличные летные данные прежде всего на высотах 8000-10000 м. Самолет оказался трудным для перехвата - шанс имели только истребители с максимальной скороподъемностью, наводимые по данным локаторов. Все это позволяло японскому разведчику выполнять свои задачи даже над такими хорошо защищенными базами, как аэродромы В-29 на Марианских островах. Однако к концу войны потери Ки-46 все же стали резко нарастать.
С разворачиванием производства "модели 3" небольшое число предыдущей "модели 2" было переделано под трехместные самолеты подготовки штурманов-радистов. За кабиной пилота уступом был установлен фонарь для третьего члена экипажа. Этот самолет получил обозначение "учебный самолет армейский тип 100" (Ки-46-П KAI) и использовался армейской летной школой в Симосицу.
Высокая скорость самолета позволяла надеяться также на создание на его базе эффективного истребителя-перехватчика. Работы по переделке разведчика в истребитель начал в июне 1943 г. Авиатехнический исследовательский институт армии (по-японски "Рикугун кокугицу кенкуйо"). Основанием для них являлись прекрасные высотные характеристики Ки-46 - на высоте 6000 м он развивал 637 км/час и имел большую продолжительность полета. За основу приняли последнюю модификацию Ки-46-III с моторами фирмы "Мицуби-си" Ха-112-II по 1500 л.с. Из носовой части убрали передний бензобак и фотоаппаратуру и разместили там две пушки Хо-5. Фонарь кабины переделали по типу более ранних Ки-46-II (со "ступенчатым" носом). Между местами летчика и стрелка поставили с наклоном в 30° к горизонту 37-мм пушку Хо-203, так что она могла стрелять вперед - вверх. 7,69-мм пулемет у стрелка для экономии веса сняли.
Первый образец, получивший обозначение Ки-46-1П-КАИ, изготовили в октябре 1944 г. Он успешно прошел испытания и был принят на вооружение как "истребитель - перехватчик типа 100". Серийный выпуск новых тяжелых истребителей наладил 1-й авиаарсенал, расположенный там же, в Татикаве. С конца ноября Ки-46-Ш-КАИ стали поступать в подразделения ПВО, в основном на территории метрополии. Первыми эти машины освоили 106-й полк и 81-я отдельная эскадрилья (последняя - в Манчжурии). В общей сложности их получили два полка, пять отдельных эскадрилий и одно отдельное звено.
Недостатками Ки-46 как истребителя были в первую очередь низкая скороподъемность и недостаточная боевая живучесть. Первое приводило к тому, что требовалось заранее поднять самолеты в воздух, набрать высоту и ждать подходящее соединение противника. Но для этого нужно было иметь развернутую сеть РЛС ПВО, которой у японцев не было. Низкая же боевая живучесть сильно снижала ценность Ки-46 при атаке соединений вражеских бомбардировщиков. Пока он был разведчиком, его спасали скорость и высота, давая возможность ускользать от столкновений с противником. Теперь же приходилось "переть на рожон" и отсутствие броне-защиты и протектированных топливных баков дорого обходилось экипажу импровизированных истребителей. Много нареканий поступало и на пушку Хо-203, обладавшую низкой скорострельностью.
