日本陆军最早的双座战斗机计划出现在昭和 8 年（1933），由中岛飞机公司担任开发的这项任务被称为 Ki-8 方案。中岛公司从 1934 年 3 月到 1935 年 5 月总共制成 5 架样机，虽然是双座，但该机只有一台 550 马力九四式 2 型风冷星型九缸发动机，布局为下单翼、逆海鸥翼、起落架固定式。机首部分安装 2 挺 7.7 毫米机枪，后座的旋转枪座上安装一挺 7.7 毫米机枪，在 5,000 米高度的最大速度为 328 公里/小时。虽然 Ki-8 的爬升性能和整装战斗性能略逊于同时代日陆军主力战斗机九一式，但是在轻装的状态下要略胜九一式一筹，居驾驶员评价其操空性能也不错。但是由于连续发生三次空中解体事故，所以 Ki-8 在样机阶段就被砍了。
中岛 Ki-8
接下来在昭和 12 年（1937）2 月 28 日拟定的“昭和 12 年度陆军航空本部航空兵器研究方针”中，正式加入了“双座战斗机”一栏，具体的要求简约如下：
“主要用于协助轰炸机攻击敌机。关于航程，相对于单座战斗机 300 至 400 公里另富余 30 分钟飞行的最大作战半径，双座战斗机的作战半径要达到 400 至 500 公里另富余 30 分钟飞行时间。其余性能必须尽量与单座战斗机接近。武备为固定机炮 2 门，旋转机枪 1 挺，另要有一套无线电设备。”
双座战斗机要求在 1938 年上半年结束基本审查。
1937 年 3 月，根据这个方针，日本陆军要求中岛、川崎、三菱公司分别用 Ki-37、Ki-38、Ki-39 的代号开发“用于制空、掩护和对地攻击”的双座战斗机兼攻击机。
进入具体工作之后，三菱以缺乏技术人员为理由退出，中岛最后也没有实质性的进展。川崎公司以工程师井町勇领导的班子进行设计工作，1937年 10 月制成 1:1 等大模型，到了年底已经完成基础研究和设计。但是，陆军在 12 月停止 Ki-38 的研究工作，指令以 Ki-38 为基础进行 Ki-45（屠龙）的开发，同时责成川崎研制 Ki-48 轻型战斗机。
关于 Ki-38 仍有很多不明的部分。仅根据风洞模型来看，它是一种安装液冷 V 型发动机的双发中单翼机，和后来的 Ki-45 一样，主翼和尾翼都采用椭圆斜度，中央翼为水平形式、而外翼有上反角。尾翼的形状和井町勇的另一个作品 Ki-32（九八式轻型轰炸机）相似。此外，设计组也曾经考虑过机首安装液冷发动机、两翼安装风冷星型发动机的三发方案。
川崎 Ki-32
川崎 Ki-48
接受新的设计任务之后，川崎让井町研制 Ki-45，而 Ki-48 的任务交给土井武夫的班子。1938 年 1 月，井町班子着手进行 Ki-45 的基础设计，陆军的要求主要有以下几点：
用途：主要用于掩护轰炸机，攻击敌机 形式：双发单翼双座 发动机：Ha-20 乙型（3,900 米时 820 马力） 速度：高度 2,000 至 5,000 米时最大速度 540 公里/小时 航程：标准燃料配备，3,500 米高度巡航速度 330 公里/小时飞 行4 小时 40 分钟＋最高速飞行 30 分钟 武备：固定机炮一门，固定机枪 2 挺，旋转机枪 1 挺
Ki-45 一号样机
此外，在 Ki-45 的设计工作开始后，日本陆军又制订了昭和 13 年度航空兵器研究方针（7 月 1 日）。虽然没有对双座战斗机的性能指标作大的变动，但是在是否有必要搭载机炮的问题上仍旧闪烁其辞，说明当时的日军还是没有稳固对双发战斗机的运用思想。
无论如何，这些指标对于川崎来说还是很高，风冷双发、收放式起落架、战斗机旋转枪架和机炮均属于川崎公司没有涉及过的项目。不过井町班子还是在 10 个月内完成了设计，到 1939 年 1 月制成第一架样机，从设计开始算起差不多整一年，或许这也要感谢 Ki-38 的设计经验。Ki-45 一号样机（4501 机）是日本第一架双座战斗机。
紧跟一号样机制成了二号样机（4502 机），设计组希望在这架样机上修正设计阶段遇到的空气动力和构造问题，样机主翼和尾翼采用椭圆斜度，机身和一号机相比显得更接近流线型，甚至连风挡前方的望远镜式瞄准器也加上了一个护罩来减少阻力。
因为川崎是首次设计收放式起落架，而当时日本又没有可靠的油压补品，所以样机的起落架被设计成利用齿轮和链条人力收放的方式，前后座都可以进行收放起落架的工作，不过这显得多少有些浪费。由于发动机舱为了配合小巧的 Ha-20 发动机而设计得非常紧凑，外径只有 1,100 毫米，所以主起落架不能完全收入，轮胎的一部分仍露在外。尾轮也是可收放式的。
1939 年 2 月 2 日在川崎公司歧阜工厂内进行主起落架收放测试。远景的飞机是正在组装中的九八式轻型轰炸机（Ki-32）
主起落架不能完全收入，轮胎的一部分仍露在外
襟翼操作机构为机械式。因为中央翼没有上反角，所以左右襟翼都分为内外二部分。发动机舱尾部和内侧襟翼合为一体。
一号样机发动机没有整流罩，也没有安装武备，但是预订在机身右下部安装一门 20 毫米机炮，机首上部安装 2 挺八九式 7.7 毫米机枪，后部坐席的旋转枪架安装一挺八九式 7.7 毫米机枪。日本当时没有完成 20 毫米的航空机炮，所以准备使用九七式 20 毫米自动反坦克炮代替，不过九七式自动炮外形尺寸过大而且太重，形状也不适合飞机搭载；而且由于炮口位于驾驶席后下方，为了防止火炮发射的冲击波影响飞行员，而在弹道位置敷设有 5 毫米厚度的防御钢板。
后座旋转枪架
而后座的旋转枪架相对来说成功一些，为了减轻风压对射手的影响、方便射击和削减后坐力，射手坐席、枪架和风挡被设计成一体化。
Ki-45 最初的样机搭载中岛公司根据布里斯托尔“水星”发动机研制的 Ha-20 乙型风冷星型九缸发动机，对于惯用液冷发动机的川崎公司来说使用风冷发动机这也是第一次，而且川崎经常采用的 Ha-9 系列液冷发动机已经达到了性能极限、故障频发。Ha-20 乙型缸径 135 毫米，行程 150 毫米，总容量 19.3 升，820 马力。不过因为发动机自身仍旧处于试验阶段，所以在 Ki-45 样机上的试用很不成功，故障率极高，甚至不能维持正常的飞行试验。