二式複座戦闘機
しかしながら、キ45の性能は遠く要求に及ばなかった。装備されたハ20乙エンジンは馬力不足なうえに故障が続出し、機体にもナセルストールを引き起こすという問題がつきまとった。
キ45は不採用になったが、双発複座戦闘機の実用化を強く要望する陸軍は 開発の継続を川崎に命じた。川崎はこれを受け、エンジンを実績のあるハ25に換装することを決定し、設計主務者を土井武夫技師に代えて作業に着手した。ハ25装備の機体は「キ45第一次性能向上機」と呼ばれ、テスト飛行で好成績を示し増加試作機が8機製作されたが、ナセルストールを引き起こすという問題は解決できず実用機としては不採用になった。
しかし陸軍は双発戦闘機の入手を諦めておらず、1940年(昭和15年)10月、この機体をベースにして「第二次性能向上機」の試作を命じ、エンジンにはより強力なハ102(離昇出力1,080HP)の採用を命じた。川崎はキ45に見切りをつけており機体は1940年(昭和15年)5月に完成したばかりの九九式双軽爆撃機の基本設計を流用して全くの新設計とした。ナセルストールについてはナセルの取り付け位置を主翼中心よりも下に配置するなどの対策を行い、一応の解決とした。この機体にはキ45改の名称が与えられ、試作1号機は1941年(昭和16年)9月に完成、各種飛行テストが続けられ、1942年(昭和17年)2月(皇紀2602年)に二式複座戦闘機として制式採用された。
最初の量産型。
機首にホ103(一式十二・七粍固定機関砲)2門、胴体下面にホ3(試製二十粍固定機関砲)1門、後部座席に九八式旋回機関銃(7.92 mm)1挺という武装だった。