Командование армейской авиации полагало, что успех истребителя Ки-27 в значительной мере связан с низкой нагрузкой на крыло, составлявшей всего 70–80 кг/м². У нового самолета нагрузка была больше — 85 кг/м². Чтобы этот параметр не вышел за определенные границы, поверхность крыльев пришлось увеличить еще. Сравнительные характеристики Ки-27 и Ки-43 даны в таблице:
| Масса | Несущая поверхность | Нагрузка на крыло |
| Ки-27 | 1650 кг | 18.56 м² | 88.9 кг/м² |
| Ки-43 | 2048 кг | 22.00 м² | 93.1 кг/м² |
Чтобы довести нагрузку на крыло до 85 км/м², площадь крыла следовало увеличить до 24,1 м², что отрицательно сказалось бы на скорости и маневренности. Некоторые надежды возлагали на то, что Ки-43 отличался лучшей удельной мощностью по сравнению с Ки-27: 2,15 кг/ л.с. против 2,32 кг/л.с., соответственно. Дополнительную сложность доставляла необходимость уменьшить диаметр воздушного винта, поскольку массу планера удалось в последний момент уменьшить по сравнению с расчетной величиной.
Прототип 4301 был элегантным низкопланом с простым, чистым силуэтом. Простота конструкции и общая техническая концепция отчетливо показывали на его генетическое родство с Ки-27. Крылья с большой поверхностью имели монолитную трехлонжеронную конструкцию. Вооружение самолета по-прежнему состояло из двух 7,7-мм пулеметов Тип 89, размещенных в верхней части капота. Казенная часть пулеметов располагалась внутри кабины, пулеметы были синхронизированы с лопастями винта. Фонарь кабины, как у Ки-27 Ко, имел сдвигаемую центральную часть и обеспечивал достаточный обзор задней полусферы. Интерес представлял руль высоты, который по площади достигал трети от площади хвостового оперения. Вместо хвостового колесика по-прежнему стоял костыль. Фюзеляж кончался конусовидным выступом с позиционным огнем.
Начались заводские испытания. Параллельно шла сборка двух очередных прототипов: 4302 (собран в феврале) и 4303 (собран в марте 1939 года). В целом эти машины походили на 4301, за исключением мелких деталей конструкции, касавшихся в том числе моторной рамы, воздухозаборника карбюратора и фонаря пилота. Выпуск трех прототипов был обычным для Японии способом испытать новый самолет. По результатам испытаний машину или отправляли в серию, или передавали для устранения недостатков, или списывали за бесперспективность. Прототип в первый раз поднялся в воздух в начале января 1939 года с аэродрома Одзима в районе Ота. Этот аэродром использовался фирмой Накадзима в качестве опытного взлетного поля. Заводские испытания новой машины проходили успешно и в соответствии с планом.
