Prototypy Ki-27 Pierwszy gotowy prototyp 15 października 1936 roku oznaczony został jako Ki-27. Posiadał całkowicie zakrytą kabinę i gładką osłonę silnika. Osłona kabiny miała długi wiatrochron, odsuwaną limuzynę i przeszklony garb. Reszta konstrukcji nie uległa zmianieLeszek A. Wieliczko; "Nakajima Ki-27 (Nate); Lotnictwo 4/2016; str. 84; ISSN 1732-5323.
Podczas prób w Instytucie Badawczym Lotnictwa Armii drugi z prototypów osiągnął prędkość maksymalną 468 km/h na wysokości 4000 m, a wysokość 5000 m osiągnął w czasie 5 minut i 38 sekund. W instytucie podany został próbom porównawczym z innymi podobnymi samolotami: Kawasaki Ki-28 i Mitsubishi Ki-33. W czasie tych prób stwierdzono, że ma nieco gorsze osiągi, ale zdecydowanie lepszą zwrotność po wymianie skrzydeł. W lutym 1937 roku zakończyła się budowa drugiego prototypu.