准大臣への補任は、大臣になれる資格がありながら空席がないために大臣になれない者を慰撫する目的で運用されたとする和田英松の『官職要解』の解説が長らく通説となっていた。確かに堀川基具は准大臣を足がかりに、正応2年（1289年）8月29日には晴れて太政大臣に昇進している。ところが、問題はその前年に関白二条師忠の左大臣辞任に伴う玉突き人事によって内大臣に空席が生じたのにも関わらず、後任に任じられたのは基具ではなく、大納言で同門の久我通基だったことである。また、基具の後に准大臣となった者の昇進を見てみると、次の土御門定実は権大納言2名に内大臣昇任で先を越され、更にその次の中院通頼は3名に大臣昇任で先を越された挙句に自身はとうとう大臣になれずに出家している。つまり通説とは異なり、大臣に空席が生じても准大臣が自動的に大臣に昇進できるわけではなかったのである。あくまで一説ではあるが、鎌倉時代後期に宣下のあった准大臣のすべてが摂関家庶子か清華家庶流出身者であり、かつその半数以上が堀川基具を出した村上源氏中院流の庶流出身者であったことである、とする見方がある。それに拠れば、当時の公家社会では家格の峻別と固定化が進み、嫡子・嫡流を「重代」「譜第」の家柄と位置づけて庶子・庶流との区別を明確にし、嫡子・嫡流に庶子・庶流を統制させて、その昇進にも格差をつけるようになっていった（家門の確立）。その一方で徳政推進の観点から昇進については能力を重視すべきとする意見も論じられた。この矛盾した二つの主張の妥協として導入されたのが'准大臣であったと考える説がある。すなわち、摂関家や清華家の嫡子・嫡流であれば大納言の次に大臣の座に空席があれば直ちに大臣に昇進できたが、庶子・庶流は従一位に叙せられて准大臣宣下を受け更に相当の時間を経ることでようやく大臣に任じられる、というルール・格差である。これによって「直系」「嫡子」あるいは「重代」「譜代」を円滑に昇進させ、なおかつ有能な「庶子・庶流出身者」の登用を完全には排除しない仕組みが形成された、とする説である。いずれにしても、このときの堀川基具に対する待遇が、その後に続く准大臣の先例となった。「准大臣の宣下を受けるための必須の要件」はすなわち従一位（以上）であることおよび大納言または権大納言を経ている（前大納言）ことの2点である。また大納言・権大納言は、そのほとんどが前大納言である。准大臣にするために、わざわざ従一位に叙したり大納言を辞任したりした例も少なくない。
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。