Już w 1941 roku stał się podstawowym samolotem rozpoznawczym lotnictwa armii. Kiedy rozpoczęła się wojna z Aliantami, samoloty rozpoznawcze Mitsubishi Ki-46 były wykorzystywane praktycznie wszędzie. Tutaj również były całkowicie odporne na próby przechwycenia przez wroga. Samoloty tego typu dokonywały lotów rozpoznawczych w rejonie Malajów, Nowej Gwinei a nawet nad tereny północnej Australii.
Dopiero pojawienie się samolotów Lockheed P-38 i Spitfire V, dało pilotom alianckim małą szansę na skuteczną walkę z „Dinah”, aliancką nazwą kodową Ki-46. W tym czasie jednak Mitsubishi wprowadziło dalsze udoskonalenia modelu, co zwiększyło prędkość maksymalna 630 km/h i umożliwiło jednogodzinny lot z tą prędkością. Aby sprostać tym wysokim wymaganiom, pojemność zbiornika musiała zostać znacznie zwiększona. Osiągi te uzyskano dzięki silnikom gwiazdowym HA-112-II o mocy 1500 KM, oraz znaczącej modyfikacji dotyczyły jednak nosa i kokpitu samolotu. Stworzono tutaj projekt, który nie tylko wyglądał bardzo elegancko, ale także jeszcze bardziej zwiększył prędkość. Aby przeciwdziałać dodatkowej masie silnika i paliwa, całkowicie usunięto uzbrojenie obronne i wzmocniono podwozie. Zmodyfikowany samolot oznaczono Ki-46-III, a testy rozpoczęto w grudniu 1942 r.