Ki-45 第二架原型机的发动机舱进行了重新设计，但仍不理想
在三架原型机完成后，陆军又追加了 6 架原型机的定单。1939 年底 Ki-45 原型机达到的最大速度是 480 公里/小时（4,000 米高度），追加的6架原型机处于不同的制造状态，c/n 4504~c/n 4506 已经安装了中岛 Ha-20 乙发动机，c/n 4507~4509 则刚完成机体。为了彻底解决引擎舱乱流的问题，川崎建议头 3 架原型机使用反向旋转螺旋桨取代同向螺旋桨。这种改装在当时看来很有希望解决机翼失速的问题。由于动力不足，3 架原型机始终无法达到设计速度，陆军决定重新审核该项目，并指示川崎在审核完成前限制试飞，因而反转螺旋桨的改装始终没有进行。
Ki-45 第 3 架原型机夸张的发动机舱，与 Fw 190 原型机有类似之处
1940 年 4 月航空本部指示川崎在一架未完成的机体上安装两具中岛 Ha-25 14 缸星形发动机，Ha-25 在 2,500 米高度功率 1,050 马力，起飞功率 970 马力，功率比 Ha-20 乙大，直径却更小。川崎正担心整个项目被取消，于是欣然接受，将新发动机安装在第 7 具机体（c/n 4507）上，并按 NACA 规范重新设计了发动机罩，使用了小型桨毂盖。Ha-25 的单级增压器进气口设置在引擎舱外侧的机翼前缘，滑油散热器设置在引擎舱下方。这架飞机也采用电动主起落架，机轮可完全收入发动机舱中。无论从哪方面来看，新机较前 3 架原型机改动甚大，于是就有了一个奇怪的日式称呼“Ki-45 第一次性能提升型”。但该机运气不佳，在 1940 年 7 月的首飞中引擎罩鳃片飞脱，迫使飞行员紧急着陆，导致起落架折断，螺旋桨和翼尖受损。一个月后飞机才修复，此时又有安装新发动机的 4504，4505，4506，4508 和 4509 加入试飞工作。试飞表明引擎舱乱流和阻力问题已经解决，飞机达到了速度要求，其中一架原型机飞出了 520 公里/小时（3,500m）的速度。
换装了中岛 Ha-25 发动机的 Ki-45 第一次性能提升型。图中这架是使用第 9 架机体改装而来，重新设计了发动机舱
Ha-25 发动机
在 Ki-45 第一次性能提升型紧张试飞的同时，土井武夫设计组忙着完善设计，修正最后的缺陷，为投产做准备。为了增加性能并简化生产，川崎建议将在 11 架原型机上使用的椭圆轮廓机翼改为平直轮廓机翼，同时翼展增加 0.5 米，翼面积增加 3 平方米。在生产型上，Ha-25 的安装位置更低，引擎舱直径更小，同时增压器进气口移到发动机罩唇口上缘。尾翼也经过修形，机身更纤细且背部笔直。另外还使用反射式瞄准具代替望远镜式瞄淮具，使用 98 式 7.92 毫米机枪（日版的 MG15）取代 7.7 毫米后射机枪，使用两挺 12.7 毫米 1 式机枪代替原先的 7.7 毫米 89 式机鼻机枪。两个月后的 1940 年 10 月，陆军核准了这些更动，1941 年 5 月川崎完成了细节设计。
Ki-45 第一次性能向上型线图
重新设计后的飞机被称为“Ki-45 改”，非正式名称“Ki-45 第二次性能提升型”。首架飞机在 1941 年 8 月于岐阜工厂下线，并在接下来的一个月中进行了试飞。到 1941 年末川崎又生产了 Ki-45 改的两架原型机和 12 架预生产型机，试飞结果令人满意。日本陆军决定将这种飞机以陆军 2 式复座战斗机甲型“屠龙”的名称投产，即 Ki-45 改甲，并指示川崎在岐阜工厂和新建的明石工厂同时生产“屠龙”。
1942 年 8 月初，军方试飞完成后，“屠龙”开始装备第 5 战队，在来年 7 月部署到新几内亚之前，该战队一直作为转换单位负责 Ki-45 改甲飞行员的训练。第一支“屠龙”作战部队是第 21 战队，10 月部署到缅甸，一个月后第 16 战队部署到中国。此时日军掌握东南亚的天空，“屠龙”并不是能经常遇到敌机，所以大多进行反舰和对地攻击任务，居然也很胜任。但是与其德国兄弟 Bf 110 一样，在不多的空战纪录中，“屠龙”暴露出严重的问题。在与东南亚战区最常见的盟军战机 P-40 的较量中，“屠龙”除速度略快外，其他性能都较差；20 毫米航炮射速仅 127 发/分，在空战中作用有限；最重要的是日军对双发战斗机的作用缺乏足够的认识，指望“屠龙”能像单发战斗机那样与敌机缠斗，并沿用单发战斗机的多机编队战术，在面对 P-40“打了就跑”的战术时无力招架。飞行员对“屠龙”并没有什么好感，引擎和冷却系统一直麻烦不断，而且马力不足，后方视野很差，机腹机炮无法在飞行中填装，唯一值得称道之处是“屠龙”装备了自封油箱，此举在同时代日式战机中相当罕见。
97 式 20 毫米反坦克步枪改装而来的机腹航炮，在空战中根本就是摆设
川崎一直在努力提升“屠龙”产量，大阪以西 80 公里的兵库县明石工厂在 1942 年 9 月交付了第一架 Ki-45 改甲，这架飞机是使用岐阜工厂的组件组装的，6 个月后明石工厂的产量就超过了岐阜工厂，1943 年 9 月岐阜工厂停产“屠龙”。
第 13 战队遗弃的 Ki-45 改甲，1944 年 1 月
就在 Ki-45 改甲交付使用时，川崎计划研制一种更强的改型，安装两具 1,500 马力三菱 Ha-112-II 发动机的 Ki-45-II。1942 年 12 月，日本陆军航空本部指示川崎将其设计成单座型，型号也改为 Ki-96，在这种机型上又衍生出了后继机 Ki-102 和 Ki-108，这就不在本文范围之内了。
部署在太平洋岛屿的 Ki-45 改甲，隶属第 5 战队
为了增强“屠龙”的反舰和对地攻击能力，川崎又研制了一种特殊型号，Ki-45 改乙，正式名称陆军 2 式复座战斗机乙型。Ki-45 改乙初期型使用两挺 12.7 毫米 1 式机鼻机枪，并在机腹加装一门手动填装的 98 式 37 毫米炮。后期型发动机更换成 14 缸星形三菱 Ha-102，起飞最大功率 1,080 马力（2,700 转/分），2,800 米高度时 1,050 马力，5,800 米高度时 950 马力。三菱的发动机的引擎舱直径比中岛的要小，但长度增加。飞行总重量的增加抵消了马力增长带来的好处，所以 Ki-45 改乙性能基本无变化，但飞行员对 Ha-102 的可靠性给予好评。