九七式重爆撃機
近代爆撃機に対する設計思想
帝国陸軍の爆撃機に対する設計思想は、爆弾搭載量や航続距離を多少犠牲にしても、敵戦闘機の邀撃を振り切れる程度の高速性能を確保する事を重視し、爆弾搭載量の不足は反復攻撃を行う事で補うという思想だった。1930年代中後期以降の陸軍が重軽を問わず、爆撃機に第一に求めていた任務は飛行場の在地敵機を捕捉し破壊する航空撃滅戦にあった。航空撃滅戦とは爆撃機・襲撃機・戦闘機などによる制空権の確保であり、ノモンハン事件で行われたタムスク爆撃は、妥当性の是非はともあれ陸軍重爆隊として最も典型的な作戦実施要領であったのである。従って、敵が邀撃準備を整える前に飛行場上空に到達している必要があった。帝国陸軍の仮想敵国はソビエト連邦の労農赤軍であり、また想定する主戦場は中国大陸で、航空部隊の攻撃目標はソ満国境のソ連軍前線基地であり、長大な航続距離はそれほど必要はなかった。在地敵機攻撃のため爆弾倉には小型爆弾を多数搭載し、死角なく爆撃火網を構成する思想のためペイロードベースでは最大搭載量が小さくなっている。本機はそのような思想のもとに開発が行われた。
結果、九七式重爆は出現当時世界的に見てもかなりの高速機であり、ソ連空軍のIl-4（初飛行1939年、最高速度430km/h）、イギリス空軍のビッカース ウェリントン（初飛行1936年、Mk. ICで最高速度378km/h）、アメリカ陸軍航空軍のB-25（初飛行1940年、エンジンを換装した最終量産型であるB-25Jで最高速度438km/h）など、欧米列強国軍の同時期ないし新型の双発爆撃機と最高速度を比較しても、一型（キ21-I）で432km/h、二型（キ21-II）478km/hと優れたものであった。
この思想は後続となる一〇〇式重爆撃機「呑龍」（キ58）、四式重爆撃機「飛龍」（キ67）まで変わることはなく、以後開発された重爆撃機もまたいずれも同様の機能性能を備えた。しかし、こうした機能性能はあまりに対ソ航空撃滅戦のみを見据えていたもので、太平洋戦線の実情にはあまり適合するものとはならなかった。そのために結果として「搭載量不足」「航続力不足」といった評価を受けざるを得なくなってしまうのである。また、開戦時まで陸軍航空側は対ソ航空撃滅戦に必要な陸上飛行・対地攻撃を重視して洋上での長距離飛行・対艦攻撃をさほど考慮していなかったため、太平洋戦争では作戦展開に支障が生じた。
実戦
多少の問題点を含みつつも、日本初の近代的な爆撃機としては成功作たる傑作機であり、九三式重爆およびイ式重爆撃機の後続として飛行分科「重爆」の飛行戦隊に配備、支那事変中期から実戦投入されたが実戦部隊からの評判・信頼性も高く、海軍の九六式陸攻ともども重慶爆撃の戦略爆撃にも使用されている。
続いてノモンハン事件や太平洋戦争にも主力として投入され、太平洋戦争緒戦の南方作戦各戦線では航空撃滅戦や要地爆撃に活躍した。在フィリピンのアメリカ軍（極東陸軍）を相手とするフィリピン攻略戦では、飛行第14戦隊の九七式重爆17機が開戦日である1941年12月8日午前4時半（日本時間5時半）頃に台湾を出撃、ルソン島バギオへの爆撃行成功（全機帰還・損害無）を筆頭に、以降第二次バターン半島戦とコレヒドール島戦においては重爆・軽爆の大規模集中運用がなされ、地上の集成重砲兵部隊郡である第1砲兵隊とともに勝利に貢献している。
1943年（昭和18年）夏以降からは旧式化のため夜間爆撃や次第に後方任務に回されるようになったが、人員や物資の輸送、連絡、哨戒、グライダーの曳航などの任務で終戦まで全戦線に従軍した。対潜哨戒機として二型乙（キ21-II乙）を使用していた第14戦隊はニューギニア戦線において、呉海軍航空隊で対潜戦講習を受けた冨永武大尉が1944年3月10日・4月25日・4月27日にそれぞれ敵潜水艦1隻（計3隻）を撃沈する戦果を挙げている（実戦果不明）。なお、冨永機には潜水艦を模った「撃沈マーク」が描かれた。また、機上レーダー（機上電波警戒機）である「タキ1号」を搭載した二型は二型丙（キ21-II丙）とも称され、9機を装備した独立飛行第31中隊がインドネシアやフィリピン方面で対艦哨戒に従事している。
1944年夏に、インド・中国方面からのB-29による日本本土への爆撃が開始されると、第5航空軍指揮下の飛行第60戦隊が、本機を使用して軽爆部隊とともに成都方面のB-29の中継基地に対する夜間爆撃を実施した。サイパン島の失陥により日本本土各地へのB-29の襲来が本格化すると、浜松教導飛行師団にて編成された第2独立飛行隊が、本機をもって1944年11月2、4、6日・12月7日に浜松陸軍飛行場を出撃し硫黄島を経由、B-29の拠点であるサイパン島およびテニアン島のアメリカ陸軍航空軍飛行場をタ弾により夜間奇襲爆撃し戦果を挙げている。この活躍によって第2独立飛行隊は防衛総司令官東久邇宮稔彦王名の部隊感状を拝受、さらに功績は昭和天皇の上聞に達し飛行隊長新海希典陸軍少佐は個人拝謁の栄誉を受けた。
1945年（昭和20年）5月24日、沖縄戦を経てアメリカ軍の占領下になった沖縄の北飛行場（読宮飛行場）に挺進し破壊活動を行なった義号作戦にて、義烈空挺隊の空輸・強襲に用いられたのは第3独立飛行隊所属の二型（キ21-II）改造輸送機であった。本作戦で町田一郎中尉操縦の4号機（機体番号6540）が挺進に成功し搭乗隊員らが戦果を残している。
後続機たる一〇〇式重爆の開発・実用化の遅れから、数々の改良を加えられながら使用され続けたため本機の生産期間は長く、最終的に計2,055機が量産され帝国陸軍の最多生産重爆となった。内訳は一型773機、二型1,282機（甲1,025機・乙257機）となる。前線部隊においては一〇〇式重爆よりも実用面で優れているとされ、本機の方を好んだ部隊もあったといわれる。大戦後期には武装と防弾装備が強化された決定打となる二型乙（キ43-II乙）が登場したが、武装と防弾はもとより速度・航続距離・機動の諸性能でも大きく勝る新鋭重爆、三菱製の四式重爆の部隊配備が進んだことからこれに主力重爆の座を明け渡し、1944年9月に生産は終わっている。
日本以外ではタイにも少数の一型（キ21-I）が供与されており、こちらは戦後もしばらくの間運用されていた。
武装
防御武装として、最初の量産型である一型甲（キ21-I甲）は口径7.7mm旋回機関銃3挺（後上方に双連（連装）である八九式旋回機関銃（特）1挺・機首前方および後下方にテ1 試製単銃身旋回機関銃各1挺）であったが、一型乙（キ21-I乙）では機体尾部に遠隔操作式の八九式固定機関銃1挺を、胴体側方にテ1 1挺を設置している（側方は1挺で左右兼用）。この尾部機関銃の遠隔操作は後上方射手が兼任するもので、射界が狭く専用の照準器もないため命中率は低かったが、後上方と後下方銃座の死角に入ってきた敵戦闘機への威嚇用としてはかなり効果があったという。
二型甲（キ21-II甲）では、左右兼用であった側方銃を2挺に増設しそれぞれ専用とし、また機首前方・後下方・左方・右方のテ1をテ4 試製単銃身旋回機関銃二型に換装（後上方は双連の八九式旋回機関銃（特）、尾部は八九式固定機関銃のまま）、これにより7.7mm単装5挺・双連1挺となった。さらに太平洋戦争中期以降の主力である二型乙（キ21-II乙）では、後上方の八九式旋回機関銃（特）を12.7mm旋回機関砲（ホ103 一式十二・七粍旋回機関砲）を装備する球形砲塔に換装している。なお、戦地では応急的な現地改造として操縦席側面や側面乗降扉などにテ1・テ4と銃架を追加装備した部隊もあった。
防弾装備
本機は1939年中頃の初期量産型である一型乙（キ21-I乙）の時点で、燃料および潤滑油タンクの防漏化（防漏タンク・防弾タンク）化がされている。燃料タンクは耐油性ゴム被覆を施したうえで真綿被覆を、潤滑油タンクは耐油性ゴム被覆を施したうえで羽布を貼り塗料が塗られ、被弾時の防漏防火が考慮されていた。
さらに1943年中頃以降生産の二型乙（キ21-II乙）では防弾装備を特に強化、型番1300号機前後からは正副操縦者席・後上方射手席へ16mm厚防弾鋼板（防楯鋼板）および、正副操縦者・後上方砲塔の風防に70mm厚防弾ガラスを設置、出火対策も全燃料タンクの被覆は16mm厚ゴムに変更され、外翼および中央翼部の燃料タンクには窒素を用いる自動消火装置が導入されている。
輸送機型
本機はその汎用性の高さから輸送任務に用いられることも多かった（パレンバン空挺作戦における落下傘部隊に対する物資投下、ニューギニア駐屯の三式戦闘機「飛燕」装備戦隊へのマウザー砲輸送など）。そのため陸軍は九七式輸送機（キ34）に代わる後続輸送機として、九七式重爆一型（キ21-I）をベースとした機体の開発を三菱に命じ、これは一〇〇式輸送機（キ57）として制式採用、帝国陸軍主力の高性能輸送機として使用された。また一〇〇式輸送機の民間転用型をMC-20といい、航空会社の旅客機や新聞社の連絡機としても使用され、戦前中の日本を代表する国産旅客機となった。
また、九七式重爆そのものを輸送機に改装した貨物輸送機も数機あり、これは陸軍から大日本航空に払い下げられMC-21の名で使用された。