Az 1939-ben Mongóliában a Szovjetunió ellen vívott halhin-goli csatában a Ki-27 a I–15 kétfedelű és I–16 egyfedelű vadászgépekkel nézett szembe. A konfliktus kezdeti szakaszában teljesítménye megfelelőnek bizonyult az I–16 korai változatai ellen, és jelentősen felülmúlta az I–15-ösét. Jobban képzett pilótái révén a Ki–27-es légi fölényt vívott ki. A Ki–27 fegyverzetét két 7,7 mm-es géppuska alkotta, és a korszak legtöbb repülőgépéhez hasonlóan nem rendelkezett a pilótát védő páncéllal, öntömítő üzemanyagtartályokkal vagy az üzemanyagtüzeket oltó berendezéssel.