Przy projektowaniu samolotu oparto się na wcześniejszych projektach dwusilnikowych samolotów – ciężkiego myśliwca Ki-45 i lekkiego bombowca Ki-48.
Opis konstrukcji Kawasaki Ki-66 był dwusilnikowym, dwumiejscowym średniopłatem o konstrukcji prawie całkowicie metalowej z krytymi płótnem powierzchniami sterowymi. Załogę stanowiły dwie osoby – pilot i radiooperator/strzelec siedzący w zamkniętej kabinie w układzie tandem (jeden za drugim).
Samolot mierzył 11,2 m długości i 3,7 m wysokości, rozpiętość skrzydeł wynosiła 15,5 m, a ich powierzchnia nośna 34 m². Masa własna samolotu wynosiła 4100 kg, a masa startowa do 5750 kg.
W pierwszej wersji samolot napędzany był dwoma 14-cylindrowymi, chłodzonymi powietrzem silnikami gwiazdowymi typu Nakajima Ha-115 o mocy 1130 KM przy starcie z trzypłatowymi, metalowymi śmigłami, w drugiej wersji napęd stanowiły silniki Nakajima Ha-315-I o mocy 1350 KM przy starcie. Pod skrzydłami, po zewnętrznej stronie gondoli silnikowych umieszczono hamulce aerodynamiczne używane w bombardowaniu nurkującym.