Единственный «тип Р.Е.» был облетан в июле 1936 г, а уже в октябре в воздух поднялся первый Ки-27. Обе машины, спроектированные Т.Коямой, представляли собой свободнонесущие низкопланы под двигатель воздушного охлаждения Накадзима Ха-1а мощностью 650 л.с. и отличались только в деталях: формой киля, обтекателей шасси, фонарем кабины и капотами. «Тип Р.Е.» испытывался только на фирме и дал ценную информацию для доработки проекта Ки-27. Причем «тип Р.Е.» до конца своей карьеры был еще использован для испытания боевого закрылка - «бабочки», который Накадзима позже с большим эффектом использовала на своих самолетах. И для «типа Р.Е.» и для Ки-27 Т. Кояма выбрал максимально облегченную конструкцию крыла и новый профиль разработки Накадзимы, что обеспечило самолету высочайшую маневренность.
Первый опытный Ки-27 был поднят в небо с аэродрома Одзима 15 октября 1936 г. На втором самолете, облетанном в декабре 1936 г, площадь крыла была увеличена с 16,4 м² до 17,6 м². После заводских испытаний оба самолета были переданы армейскому исследовательскому авиационному институту в Тачикаве, где они учацтвовали в конкурсе с истребителями Мицубиси Ки- 33 и Кавасаки Ки-28. Во время испытаний Ки-27 показал максимальную скорость 468 км/ч на высоте 4000 м - меньше, чем Ки-28 (485 км/ч) и Ки-33 (474 км/ч). Высота в 5000 м набиралась на Ки-28 за 5,15 мин, на Ки-27 - за 5,6 мин, на Ки-33 - за 5,95 мин. Но зато Ки- 27 безусловно превосходил своих конкурентов в маневренности. В результате был получен заказ на 10 предсерийных Ки-27, которые были поставлены с июня по декабрь 1937 г. Еще во время конкурсных испытаний V-образность крыла на втором Ки-27 была увеличена на 1,5°, что улучшило управляемость, а из- за большей, чем на первом опытном самолете, площади крыла потеря скорости составила только 7 км/ч, что с лихвой компенсировалось лучшей маневренностью. Более того, на предсерийных самолетах площадь крыла была увеличена еще больше - с 17,6 до 18,56 м², а размах возрос с 10,4 до 11,31 м. Удлиненный козырек фонаря кабины с телескопическим прицелом остался, зато металлический гаргрот за кабиной был заменен на остекленную, неподвижную секцию фонаря. Испытания опытной партии были завершены успешно в конце 1937 г, и самолет был запущен в серийное производство под обозначением «истребитель армейский тип 97 модель А» - Ки-27а.
Серийные Ки-27а подобно самолетам опытной партии получили крыло увеличенной площади, более привычный козырек фонаря, металлический неостекленный гаргрот за кабиной и более мощный двигатель Накадзима Ха-lb, развивавший на высоте 2900 м 780 л.с. Самолет был вооружен двумя синхронными 7,7-мм пулеметами «тип 89». На всех машинах ставились радиоприемники, а на самолетах командира звена - передатчики. В марте 1938 г самолет появился в небе Китая, что позволило армейской авиации наконец добиться безусловного превосходства над китайскими ВВС. Почти одновременно императорская армия решила реорганизовать свои воздушные силы - смешанные части были заменены специализированными сентаями, вооруженными одним типом самолета. Первым из них 1 июля 1938 г стал 59-й истребительный сентай, вооруженный как раз «типом 97». По мере поступления новых Ки-27 были введены в строй с этим типом еще и 64-й, 13-й, 4-й, 5-й и 11-й сентай. По мерю разворачивания серийного производства Ки-27а был сменен на сборочной линии на Ки-27Ь, отличавшийся фонарем кабины с круговым обзором и переделанным маслорадиатором. Под центропланом теперь можно было подвесить четыре 25-кг авиабомбы. Вместо бомб можно было подвесить два 130-л дополнительных сбрасываемых бака. Для стрелковой подготовки под корневой частью левого крыла можно было установить фотопулемет. Производство Ки-27Ь также было налажено на «Манею хикоки сейзо К.К.» в Харбине. Всего было выпущено 3399 Ки-27, включая 1379, выпущенных на Манею в Маньчжурии.
