改動主要集中在引擎罩,滑油散熱器和座艙罩的設計上,後者使得Ki-27成為世界上第一種採用水滴型座艙罩的飛機。同時該型號在機身下方增設了掛架,可以選擇掛載四枚25公斤炸彈或兩個容量為133升的輔助燃料箱。約有四分之一的乙型飛機裝備九六式丙型無線電收發報機,還有些飛機用尾輪替代原先所使用的尾橇。
九七戰在1938年開始配發前線部隊,在中日戰爭初期和九六式艦上戰鬥機一樣是侵華日軍主力戰鬥機;在漢口機場,日本陸軍與海軍曾分別派出精銳使用九七式及九六式執行模擬戰,結果九六艦戰的爬升速度、極速、格鬥性能仍優於九七戰,縱使海軍飛行員早已具備較陸軍豐富的空戰經驗,但機種的性能貧乏已為不爭事實。
由於最初任務分配,陸軍的九七戰主要是掩護轟炸機在長江以北戰場使用,交戰地點為蘭州等內陸地區;也與中華民國空軍和蘇聯航空志願隊的I-15以及I-16戰鬥機交戰。
1939年日本與蘇聯發生衝突(諾門罕戰役),日軍與蘇聯空軍的I-15以及I-16戰鬥機兩度交戰,在這兩次衝突中日本宣稱擊落蘇聯1252架飛機(蘇聯資料中被擊落的飛機僅有200架),而日本陸軍承認損失是遭擊落與重損共157架(未歸還機與被擊落機64架,其中九七戰51架,53名駕駛戰死)。比起蘇聯,日本的飛行機耗損達到參戰機的6成。諾門罕戰役中,九七式的良好迴轉性獲得證明並在初期與蘇軍對戰時獲得優勢,在這場戰役中也誕生了幾位王牌飛行員;但是第二次戰爭時蘇軍的I-16所使用的「一擊脫離」戰術,已經開始有效剋制迴轉攻擊的效果,且I-16駕駛座後方裝配防彈鋼板,即使遭尾追攻擊飛官不會被輕易擊斃,蘇聯戰機的較佳生存力也帶給日軍老練飛行員更多傷亡;日本陸軍察覺到飛行員的高折損率,意識到戰鬥機的防護設備(駕駛座防彈裝甲、防彈玻璃、自封油箱)不能輕忽,且飛機後勤不能倚賴固定基地,開始將保修單位和實戰單位編制分流(空地分離)改善部隊調度彈性;但對於空戰理論則較無建樹,輕型戰鬥機的運動性優勢讓飛行員相對滿意,在陸軍內逐漸變型為「輕戰至上主義」,導致後續新型戰機開發仍優先考量飛行機動性,對日軍的戰機開發帶來不利的結果。
不過,九七式的戰役教訓仍然相當程度被日軍採納,包括防護力堪憂、高空性能亟待改善、速度與武裝得需再加強,都給一式戰鬥機許多的經驗反饋;不過因為一式戰開發延宕,九七戰仍在帝國陸軍維持一段時間的主力戰機地位,直到1942年中才退出前線。退出前線後,因九七式戰鬥機的優秀操控性,後方把它改用在飛行訓練,稱為九七式戰鬥教練機,隨後更以現役機身改造為雙座機,稱為二式高級教練機。二式高級教練機除了訓練任務,也擔任連絡機運用。
戰爭末期,九七式和二式教練機都有作為自殺特攻機的紀錄,在自殺攻擊時會攜帶250公斤炸彈出擊;不過因為引擎出力較小,飛機以高荷重起飛時需要長時間維持最大轉速運轉,因此發生許多起因為潤滑油超載燃燒因此被迫放棄起飛、無法執行任務的狀況。最後一起可考的九七式自殺特攻發生在1945年7月26日,由獨立第107飛行團下的第三教育飛行隊編湊的七生昭道隊(3架九七戰,駕駛員徳永勇夫士官長、山本玄治士官長、大村俊郎下士)在無掩護機的伴隨下,對英國皇家海軍遠東艦隊發動攻擊。1架在途中在攔截機擊落,1架擊中阿米爾號護衛航空母艦、另1架則撞擊維斯塔爾號掃雷艦,阿米爾號因這次攻擊負傷後撤、維斯塔爾號則在失去控制後自沉。
除了日軍以外,太平洋戰爭中後期,日軍戰機更新後退役的九七戰有部份交給滿洲國和泰國,並在空戰時曾擊落過1架P-38閃電式戰鬥機。抗戰勝利後,中國國民政府也接收了一定數目的九七式戰鬥機。