昭和17年に制式採用された複座双発戦闘機。開発は昭和15年10月に開発が中止されたキ45の後をキ45改（第2性能向上案としてではあるが基本設計は別もの）に次がせたことに始まる。開発されたキ45はハ20乙エンジンも馬力不足で故障も多く途中からハ25に切り替えられたがキ45改では最初からハ102指定（量産機からとの資料あり）となり実用性も向上していた。昭和17年初頭より戦線に登場、対爆撃機迎撃に使用されニューギニア戦線では対地対艦襲撃機としても使用されている。戦争後半の本土防空戦では夜間戦闘機として使用された。生産は川崎飛行機岐阜工場にて320機、明石工場にて1367機で試作機を含め1690機。本機は開発当時の世界的な傾向、すなわち「高速重武装な双発重戦闘機で余裕のある馬力と搭載量、武装、航続距離にて敵を圧倒する」ということを目標に計画されたものではあったが非常に凡作で戦争後半にB29に対しての夜間防空戦で有名を馳せたものの、たまたま開発した機体がこの任務に合致（性能不足であったが）しただけのことで、ようするにソコソコの性能さえあればどんな双発機でも使用可能であった。

甲型（Model 1A）	機首上面に一式12.7ｍｍホ103機関砲を2門、胴体右下面に20ｍｍホ3機関砲1門、後部銃座に98式7.92ｍｍ機銃を装備した最初の量産型。現地改修などの改修型も多く丁型と同じ上向砲（ホ103・12.7mm上向機関砲搭載型もある）を搭載したものや、胴体下面にホ203 37mm機関砲を搭載したものもあった。また後期の乙型は翼付け根下面に250ｋｇ爆弾か200リットル燃料増加タンクを搭載できる爆弾兼増加タンク架が設けられた。
乙型（Model 1B）	甲型の機首機関砲をホ203 37mm機関砲1門とした武装強化型（他の武装は同じ）。当初は98式ホ202 37mm機関砲1門であったが18年6月以降に変更。
丙型（Model 1C）	機首37ｍｍ機関砲はそのままに胴体右下面の機関砲を20ｍｍ機関砲としたもの。設計・生産は陸軍航空工廠（昭和18年6月〜10月に65機）、途中から川崎でも生産した。
丁型（Model 1D）	丙型の前後座席の中間にホ5 20mm機関砲2門を上向きに装備したもの。B29の夜間迎撃戦で最も活躍した型。
37mm対戦車砲装備型	機首に37mm対戦車砲（一式速射砲？）を搭載した機体。昭和18年1月〜6月に20機（10機の資料有り）が陸軍航空工廠にて改修。
ホ204 37mm機関砲装備型	機首にホ204・37ｍｍ機関砲を搭載した機体。昭和18年3月に陸軍航空工廠にて1機改修。ホ204は後にキ102甲に搭載。
ホ401 37mm機関砲装備型	機首にホ401・37ｍｍ機関砲を搭載した機体。昭和18年4月設計開始、同年9月に陸軍航空工廠にて1機改修。ホ401は後にキ102乙に搭載。
75mm砲装備型	機首下面に75mm砲を搭載した機体。反動補強が大規模な為、計画のみ。
ホ5上向砲装備及び 　　タキ4電波標定機装備型	電波探知装置タキ4を搭載し胴体前後座席の中間にホ5・20ｍｍ上向砲を搭載した機体。機首は有機ガラス張。陸軍航空工廠で10機改修。戊型とし胴体右下面にホ301・40mm砲搭載型とする資料もある
方向探知機装備型	昭和19年夏に陸軍航空工廠で3機改修。詳細不明。
電波暗視機装備型 　　（赤外線使用の暗視装置？）	昭和19年12月に陸軍航空工廠で1機改修。詳細不明だがドイツ空軍が使用していたAEG製の「シュパナー」と同じ程度のものと推測。パッシヴタイプかアクティヴタイプか不明。
ビーコン装備型	昭和20年3月に陸軍航空工廠で1機改修。詳細不明。
高高度飛行用装備実験型	過給器の吸入空気量を増大して高高度性能の向上を図った機体。昭和19年3月に陸軍航空工廠にて1機完成。エンジンはハ102特。潤滑油冷却器と空気取り入れ口の大型化、潤滑油加圧装置の追加などが成されていた。
2型（Model 2）	キ45改の性能向上型。エンジンをキ112にし、主翼面積を増大。昭和17年8月に設計に着手したが12月に中止。発展型としてキ96、キ102、キ108となっていった。