Los Ki-30 se utilizaron por primera vez en combate en la segunda guerra sino-japonesa a partir de la primavera de 1938. Demostró ser confiable en operaciones de campo difíciles y altamente efectivo mientras operaba con escolta de combate. Este éxito continuó en las primeras etapas de la Guerra del Pacífico, así mismo, los Ki-30 participaron ampliamente en el avance japonés hacia las Filipinas (véase Batalla de las Filipinas). Sin embargo, una vez que los Ki-30 sin escolta se encontraron con los cazas aliados, las pérdidas aumentaron rápidamente y el Ki-30 pronto fue retirado a tareas de segunda línea. A finales de 1942, la mayoría de los Ki-30 supervivientes fueron relegados a tareas de entrenamiento. Muchos aviones se utilizaron en ataques kamikaze hacia el final de la guerra.