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。
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。
日本海軍は空母の不足を補うために高速貨客船建造に助成金を与え、代償として有事には特設艦船に改造する計画であった。1939年（昭和14年）6月に竣工した大阪商船所属の「あるぜんちな丸」も、そのなかの1隻であった。あるぜんちな丸級貨客船2隻（あるぜんちな丸、ぶらじる丸）は優秀船舶建造助成施設に基づく政府の補助を受けて南米航路の貨客船として建造された。1941年（昭和16年）9月、日本海軍に徴傭される。12月上旬、連合国との間に太平洋戦争が勃発。1942年（昭和17年）5月1日、日本海軍は姉妹船2隻（あるぜんちな丸、ぶらじる丸）を特設運送艦と類別する。2隻とも横須賀鎮守府所管。連合艦隊附属となる。同日附で渡部威中佐が、あるぜんちな丸監督官に任命された。5月下旬より、あるぜんちな丸級2隻（あるぜんちな丸、ぶらじる丸）は兵員輸送船としてミッドウェー作戦に参加した、他の輸送船や護衛の第二水雷戦隊及び同隊所属の駆逐艦雪風等と共に行動した。本海戦で、日本海軍の正規空母4隻（赤城、加賀、蒼龍、飛龍）が沈没する。海軍は、航空母艦の急速増勢を行うことを決定した。6月30日、日本海軍は昭和18年度においてあるぜんちな丸、シャルンホルスト、千歳、千代田、ぶらじる丸の空母改造を決定する（官房機密第8107号）。ただし、ぶらじる丸は同年8月5日にアメリカ海軍潜水艦グリーンリングの雷撃により撃沈されている。ミッドウェー海戦後、横須賀に帰投していたあるぜんちな丸は、アリューシャン攻略作戦に従事する。大本営はアッツ島とキスカ島の長期確保を企図しており、千代田艦長指揮下の輸送部隊がミッドウェー島占領のため編成されていた海軍陸戦隊を北方方面に輸送することになった（千代田は水上戦闘機と甲標的も輸送）。6月28日、千代田艦長原田覚大佐指揮下の輸送隊（水上機母艦〈千代田〉、特設運送船〈あるぜんちな丸〉、第18駆逐隊〈不知火、霞、霰〉）は横須賀を出発する。7月4日夕刻から5日未明にかけて輸送隊はキスカ島に到着、あるぜんちな丸は同島キスカ湾に入港した。だが米潜水艦グロウラーの襲撃により、第18駆逐隊は霰轟沈、不知火と霞は大破航行不能（のち船体切断）という大損害を蒙った。7月10日、あるぜんちな丸は軽巡洋艦阿武隈（同日夜まで）と駆逐艦電（第6駆逐隊）と共に、キスカ湾を出発した。7月15日、2隻（あるぜんちな丸、電）は横須賀に戻った。その後、あるぜんちな丸は内地～東南アジア方面で活動した。同年12月9日、渡部中佐（あるぜんちな丸監督官）は横須賀鎮守府附となる。12月20日、三菱長崎で空母への改造作業に着手した。仮称艦名第1005号艦。貨客船時代のディーゼルエンジンを、駆逐艦用の蒸気タービン機関に換装する大工事となった。1943年（昭和18年）2月、空母へ改造中の3隻（千代田、千歳、あるぜんちな丸）は、臨時に戦時編制から除かれることになった。11月23日、工事完成。日本海軍はあるぜんちな丸を軍艦（ぐんかん）海鷹（かいよう）と改名した。海鷹は大鷹型航空母艦に類別される。横須賀鎮守府籍。連合艦隊附属。高尾儀六大佐（前職、水上機母艦秋津洲艦長）が海鷹艦長に任命された。