三式戦闘機
第14飛行団も第68戦隊が稼動機6機、第78戦隊は稼動機0機と、全滅に近い損害を受けた。
その後もマニラで新機材を受領し、空輸を行って戦力の補充に努めた。敵はP-40、P-38および新鋭P-47、B-24爆撃機、B-25爆撃機であり、戦隊は激しい戦闘に従事した。新鋭のP-47はP-38ほど一撃離脱に徹しなかったため、むしろ戦いやすかったともされるが、性能自体は高く、一撃離脱に徹されると脅威であったとの証言もある。
1943年12月にはドイツから輸入した20 mmマウザー砲を翼内に装備した三式戦闘機が到着し、火力面では格段の向上が見られた。しかしこの時期には戦隊の人員・機材とも消耗しており、三式戦闘機の代替として旧式の一式戦闘機を受領、また多くの期間両戦隊を合わせて稼動機が20機を超えることが滅多に無い状況であった。さらにアメーバ赤痢やマラリアが蔓延しており、例え機体が補充されたとしても兵員の質の面で戦力の発揮には大きな問題があった。
1944年2月にはウエワクの維持が不可能となりホランジアへ後退、3月には敵空襲により第14飛行団の稼動機は合計5機にまで減少した。4月22日にはホランジアに米軍が上陸を開始し、7月25日には第14飛行団は解散した。三式戦闘機のニューギニアでの過酷な戦いは約1年間で幕を閉じた。
ウエワクの第14飛行団のパイロットの証言によれば、P-40とは互角またはそれ以上に戦えた。しかしP-38と対戦した場合、速度はP-38が有利で機動性は三式戦闘機が有利とであり、空戦性能で互角だが、火力面で不利があった。さらにP-38相手には劣速であり、格闘戦に持ち込めば勝てるにせよ、アメリカ軍機の一撃離脱戦法は格闘戦そのものを発生させず持ち込みようがなかった。したがって三式戦闘機が勝つ手段は奇襲以外に打つ手が無い状況であり、多少弾を当ててもアメリカ軍機は防弾性能が高く落とせない、また搭載する無線機が使い物にならず隊内での連携に円滑を欠いて大きなハンディがあると、相当な苦戦をみていた。また米軍の捕虜となった飛行第77戦隊のパイロットが語ったところによれば(尋問記録第600号)、単独空戦であれば(P-38の)隙を突くこともできるが編隊空戦では全く勝ち目がないと感じていたという(これは一式戦闘機も含めた話)。
陸士第55期、後年の統合幕僚会議議長となった竹田五郎大尉は飛行第244戦隊で三式戦に搭乗した。彼は本機の欠点を「離陸の時に前が見えない事と上昇速度が遅い事」と指摘した。
さらなる発展型として、キ61-IIに大口径砲を搭載する、すなわち、ハ140特エンジンに37 mm機関砲をモーターカノンとして搭載する計画が存在した。これは古峰 (2007)にキ61-II武強として紹介されているが、現在までのところ、ウィキペディア編集者には、他の文献ではII型についてこの呼称は確認できない。ただし三式戦闘機一型については、「陸軍現用試作機称呼名称一覧表」(1945年2月25日、陸軍航空本部)において、丙型と丁型の「区分」を「武強」としている例が有る。この機体の翼内武装は廃止され、他の武装は機首に20 mmホ5が2門のみ装備された。のちにこれはキ88と呼ばれるものとなり、1943年6月には組み立ての開始が行える状態になったようだが、1943年9月に計画は中止された。後期になると陸軍からの要請を受けて、パイロット視界向上を図るために水滴型風防に変更された。この処置は中島の四式戦闘機を参考にして行われたが、九七式戦闘機以来水滴型風防を用いてきた中島と異なり、川崎では技術の蓄積が浅く、機体と風防の接着をきちんと行うことが出来なかったため、パイロットは騒音に悩まされたという。従来のファストバック型風防のものを二型甲(キ61-II改甲)、水滴型風防のものを二型乙(キ61-II改乙)とするものや、従来のファストバック型風防を二型とし、水滴型風防のものを三型(キ61-III)と称し区別することもあるが、どちらも後世に名づけられた非公式の名称に過ぎない。また正式名称不明であるものの、性能向上型である三型には離昇出力1,800馬力のハ240の装備が計画されていた。
ニューギニアを制圧した米軍の次の目標はフィリピンであった。一説にはこの頃になると、三式戦闘機は対戦闘機戦闘に不向きと見なされる様になり、敵爆撃機の迎撃任務に回され、制空戦闘については新型の四式戦闘機の方に期待がかけられはじめた。
1944年2月には第22飛行団として愛知県小牧で第17戦隊、明野で第19戦隊が編成された。第17戦隊長は開発時より三式戦闘機に携わってきた荒蒔義次少佐である。飛行団は5月内にマニラに進出し、南方軍直轄の第2飛行師団に編入された。ただし7月5日には、第4航空軍隷下に移動している。機材の受領と錬成が順調に進まないものの、6月下旬までには35機を揃えてマニラへの進出を完了した。8月末の時点で稼動機は第17戦隊が14機、第19戦隊が18機であった。なお、第4航空軍第7錬成飛行隊の10機程度も戦力として使用が可能で、三式戦闘機の他には第4航空軍全体で318機、海軍は第一航空艦隊241機の航空機を用意している。
1944年9月21日、第17戦隊(機数不明)と第19戦隊(20機)、大塚の文献によれば合計約40機がアメリカ第38任務部隊の新鋭艦上戦闘機であるF6Fと交戦した。圧倒的多数の敵機との空戦により約25機から少なくとも22機が失われ、第17戦隊はパイロット12名を失う大損害を受けた。第19戦隊も6名、第7錬成飛行隊も2名を失った。
強度過大であることから性能向上のために主翼の軽量化が検討されたが、キ61は既に十分な性能を示していたために見送られた。三式戦闘機は当初計画の2,950 kgから、最大で二型の3,800 kgにまで総重量が増加しているが、この面での主翼の設計変更は必要が無く、生産が滞ることはなかった。なお、後方にはT型またはL型をした補助桁も設置されている。
しかし本機を受領して間もない244戦隊において、訓練飛行中だった村岡機の主翼にシワが入り、メーカーである川崎の手によって、主翼外板を剥がして小骨を補強する改修を、約2週間かけ全機が受けたという。
全幅の広い主翼を用いたことから、主脚のスパンは4.05 mと降着に際して十分に安定したものであり、荒地での運用に耐えられるものであった。そのため胴体下部は引き込まれた主脚のタイヤと降着装置で占拠されることなく、燃料タンクやラジエーターの艤装が容易となっている。主翼は片側6本のボルトで胴体に取り付けられているが、これはFw190やP-51と類似した取り付け方法である。またこの部分は平らに整形され、将来機体に改造が行われて重心が変わっても、主翼位置の前後修正による重心位置調整が容易である。
なお開発時に、土井の不適切な対応もあり、急降下時に補助翼がフラッターによる振動で千切れ飛ぶという事故が発生しているが、無事着陸に成功し事なきを得ている。