Первый прототип Ка-15 был готов в июне 1935 г. Его оборудовали моторами «Хиро» тип 91 модель 1 (750 л.с.). Машине присвоили обозначение «Морской 9-Си опытный, средний базовый самолёт, торпедоносец-бомбардировщик» и сокращённое – G3M1. В июле Ка-15 перевезли с завода на аэродром Кагамихара, и в том же месяце новый бомбардировщик впервые поднялся в воздух. Испытания показали, что лётно-технические характеристики самолёта не только соответствуют мировому уровню, но и превосходят его. В течение последующего года «Мицубиси» построила ещё двадцать (!) прототипов, применявшихся для отработки различных силовых установок и иных конструктивных решений.
Характерной чертой двух первых прототипов была глухая, неостеклённая носовая часть фюзеляжа. Бомбовый прицел поместили в небольшом иллюминаторе под кабиной пилотов. Силовая установка состояла из пары всё тех же «Хиро», мощность которых уже считалась недостаточной. Поэтому на третьем прототипе установили двухрядные звездообразные моторы воздушного охлаждения «Мицубиси» «Кинсей» 2, развивавшие 830 л.с. Они комплектовались четырёхлопастными винтами фиксированного шага MW 126. Ещё более прогрессивной была силовая установка четвёртого прототипа – помимо 910- сильных моторов «Кинсей» 3, он получил трехлопастные металлические винты изменяемого шага «Гамильтон Стандарт» CS 16. Именно такой состав винтомоторной группы был одобрен для серийных самолётов. Но поскольку выпуск «Кинсеев» только налаживался, то пятый и шестой прототипы оборудовали старыми двигателями фирмы «Хиро». Впоследствии машины с моторами «Хиро» получили обозначение G3M1a модель 1А, а с «Кинсеями» – G3M1b модель 1В. После отработки вооружения прототипы передали для войсковых испытаний в кокутай «Татэяма». В их ходе был потерян второй прототип – самолёт упал в море у берегов Кореи из-за поломки винта. Все пять членов экипажа погибли. Причиной была признана конструкция винта фиксированного шага, который невозможно было зафлюгировать. Тем не менее, из-за того, что лицензионный выпуск пропеллеров «Гамильтон Стандарт» ещё не наладили, первые серийные G3M1b модель 11В комплектовались старыми винтами MW 126. В течение 1937 г. завод «Мицубиси» в Ои сдал 34 таких самолёта. Помимо винтов, от четвёртого прототипа они отличались более просторной пилотской кабиной и «осовремененными» бортовыми приборами. В последних экземплярах этой модификации не устанавливался астронавигационный купол и одна из верхних стрелковых башен.
