二战前夜，与疯狂扩军的德国一样，日本也在穷兵黩武。似乎一夜间，日本的航空工业就已迈进世界先进行列。日本飞机设计师的一些原创设计，如三菱 96 式舰战（A5M），中岛 97 式战斗机（Ki-27）和三菱 97 式重轰炸机（Ki-21）的性能已经令人刮目相看，但西方航空强国却对此一无所知，为日后“零战神话”的产生埋下了伏笔。日本航空工业精进的原因有二，一是航空业界一边自行研发，一边按许可证生产国外飞机，并聘请外国设计师来日工作，这使本国设计师有机会接触世界最先进的航空技术；二是日本军方极力扶持航空工业，海军和陆军持续直接采购或通过贸易公司和航空公司（日本航空输送，日本国际航空，满洲航空三大航空公司）的间接购买而获得最先进的飞机，供国内的航空制造业者研究。
中岛 97 式战斗机（Ki-27）和三菱 97 式重轰炸机（Ki-21）
1934 年法国和德国同时兴起研制远程双发战斗机的热潮，这也引起了日本军方和航空业界的注意。在计划中的太平洋和入侵东南亚的作战中，日本陆军航空兵要面对远程跨海飞行，所以需要双发远程战斗机以弥补现有单发战斗机的“腿短”的缺陷。其实此时各国都对双发战斗机太理想化了，他们认为这是一种万能战斗机，不光能为轰炸机进行全程护航，还能与敌战斗机争夺制空权，或携带炸弹攻击地面目标。日本军方显然也被双发战斗机的美好前景迷住了，在观望了一阵后，1937 年 3 月日本陆军发出双发远程战斗机的招标，而此时法国，德国和荷兰的相似型号已经在试飞中了（Potez 630，Me 110 和福克 G.I）。
福克 G.I
招标中要求双发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。
由于不同意双发重型战斗机一开始给出速度、机动性和军械方面的设计指标，陆军航空本部立川技术研究所调低了指标，这样可以减小设计难度。1937 年 3 月，川崎航空工业，三菱重工和中岛飞机三家公司被陆军选中开始预研。但三菱的 Ki-39 和中岛的 Ki-37 以缺乏技术人员为由都在项目初期夭折。仅剩的川崎 Ki-38 方案在非町勇技师的主持下设计，且进展迅速，同年 10 月就完成了一个实机大小的细节模型。模型显示这是一种安装液冷 V 型 12 缸发动机的双发中单翼机，具有椭圆形轮廓的机翼和尾翼，机翼内段水平，外段上反。另外设计组还考虑过在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。但就在此时，陆军决定中止 Ki-38 的研制，这纯粹是为了平息陆军航空队军官对降低设计指标的不满，而无视川崎已经做出的努力。1937 年 12 月中旬，陆军航空本部终于与技术研究所达成一致，将一份新的双发双座战斗机设计指标送往川崎，该厂奉命开始 KI-45 的研制。新方案基于 Ki-38 的设计，但作了修正以符合以下要求：
最大速度：3,500 米高度时 540 公里/小时；作战空域：2,000 米~5,000 米；续航力：350 公里/小时巡航状态下 4 小时 40 分钟，预留 30 分钟作战油量；发动机：两具中岛 Ha-20 乙 9 缸星形发动机；军械：前向固定机炮一门，前向固定机枪两挺，后向旋转机枪一挺。
中岛 Ha-20 乙发动机
1938 年新年后 Ki-45 的设计工作在川崎岐阜工厂展开，土井武夫和副手井町技师取代了非町勇着手设计。川崎在此前并没有设计过起落架可收放的高性能双发战斗机，当时川崎甚至还在设计单发固定式起落架双翼机：陆军 95 式战斗机（Ki-10）。川崎最快的飞机是 Ki-28 试验战斗机（484 公里/小时，3,500 米），在与中岛 Ki-27 和三菱 Ki-33 竞争日本陆军主力战斗机时败北。
Ki-45 第一架原型机在 1939 年 1 月出厂，但存在诸多问题
不管怎样，川崎还是在 10 个月内完成了设计。1939 年 1 月初第一架 Ki-45 原型机（c/n 4501）在岐阜工厂下线，完成短暂的地面试验之后就开始试飞。这架飞机安装两具中岛 Ha-20 乙原形发动机，这实际上是按许可证生产的英国布里斯托“水星”，起飞功率 790 马力，3,900 米高度时额定功率 820 马力。发动机容纳在具有典型布里斯托风格的巨大引擎罩中，驱动两副 3 叶变距螺旋桨，没有桨毂盖。主起落架向后手动收入发动机舱后段，收起后起落架舱盖仅盖住起落架支柱，机轮还有部分突出在外，设计师希望这样在机腹迫降时能提供一些保护作用。
Ki-45 原型机的发动机罩具有强烈的布里斯托尔风格，事实证明这种设计是不成功的
飞行员安坐在机翼前缘位置的驾驶舱内，无线电员/机枪手在机翼后缘位置的后坐舱内，他们之间被主油箱分隔，前后座舱盖都向右打开。原型机没有安装军械，预定在机鼻上部安装两挺 7.7 毫米 89 式机枪，右侧机腹下可安装一挺修改过的 20 毫米 97 式反坦克步枪，前向枪炮由飞行员通过一个穿过风挡的望远镜式瞄准具进行瞄准。无线电员操纵一挺可拆卸的 7.7 毫米 89 式旋转机枪。由于川崎缺乏经验和过度赶工，原型机在试飞中暴露了很多问题：通过链条和齿轮手动收放的主起落架总是出故障，后射机枪的安装方式在高速飞行中根本无法使用，不的不重新设计。但最严重的问题还在发动机，中岛无法吃透技术，导致原型机达不到额定功率，而且川崎也是头一次使用空冷发动机，设计笨拙的粗大发动机舱产生了过多的阻力，并使日常维护极为困难。
Ki-45 后座的回转机枪架
第 2 架原型机（c/n 4502）的发动机舱进行了重新设计，并安装了大型桨毂罩以减小阻力，另外还有一些设备上的更动。但是这些改进还是不让人满意，于是 1939 年 3 月完工的第 3 架原型机（c/n 4503）上安装有更夸张的桨毂罩，巨大的桨毂罩与引擎舱融为一体，冷却空气由桨毂罩前端引入。另外 3 号机起落架改为电动收放，解决了手动收放的可靠性问题，但试飞中又发现引擎舱阻力过大，引发的乱流导致附近翼面失速。为了解决此问题，设计组在发动机舱附近的翼面上开设沟槽，结果并不能完全防止失速。