Серийное производство Ки-27а началось в декабре 1937 года на заводе № 1 фирмы Накадзима Хикоки Кабушики Канша в городе Ота, префектура Гумма (75 км северо-восточнее Токио). Столь быстрый старт оказался возможен благодаря тому, что Накадзима начала подготовку к серийному производству сразу по получении заказа на предсерийные самолеты. Первые серийные Ки-27а поступили в IJAAF в марте 1938 года, и темпы выпуска скоро превысили двадцать самолетов в месяц. К концу 1938 года было построено 352 машины, а к лету 1939 года, когда производство этой модификации истребителя завершилось, армейские ВВС получили 565 Ки-27а.

Уже в начале 1938 года инженеры Накадзима приступили к проектированию усовершенствованного варианта Ki-27, который получил обозначение Армейский истребитель Тип 97 Модель В (Кьюнана-Сики Оцу-Гата Сентоки) или, коротко, Ki-27b (Ki-27 Otsu). Планер, двигатель и вооружение остались прежними, изменения коснулись только капота мотора, маслорадиатора и остекления (восстановили полностью остекленную заднюю часть фонаря, как на Ki-27.02, чтобы обеспечить круговой обзор). Последнее сделало Ki-27 первым в мире истребителем с каплевидным фонарем кабины. Под центропланом были установлены держатели, на которые могло подвешиваться до четырех легких 25-кг бомб. Вместо бомб самолет мог нести два подвесных топливных бака по 133 литра. Некоторые Ki-27b (по некоторым данным каждый четвертый) были оборудованы приемно-передающей радиостанцией Тип 96 с (96 Сики Хеи), что потребовало установить по правому борту перед кабиной мачту антенны. Также некоторые машины получали вместо хвостового костыля колесо малого диаметра.

Полностью снаряженный серийный Ki-27b был тяжелее прототипа: вес пустого составлял 1110 кг, а взлетный — 1547 кг (максимальный взлетный вес с подвесными баками достигал 1790 кг). Площадь крыла осталась неизменной и нагрузка на крыло возросла до 83,35 кг/м2, что несколько ухудшило маневренность. Однако, более мощный мотор позволил улучшить летные характеристики: максимальная скорость на высоте 3500 м составляла 470 км/ч, высоту 3000 м самолет набирал за 2 минуты 59 секунд, а 5000 м — за 5 минут 22 секунды. Поскольку в ходе серийного производства Ki-27 на самолет устанавливалось только стандартное оборудование, летные характеристики истребителей оставались неизменными на всем протяжении выпуска.

Производство Ki-27b началось в 1939 году и к ноябрю 1942 года предприятие в Ота поставило 1442 самолета (130 в 1939 году, 590 в 1940 году, 443 в 1941 году и 289 в 1942 году). Еще в 1938 году, учитывая большие потребности IJAAF в новом истребителе, Накадзима рассматривала возможность продажи лицензии на производство одной из мелких японских авиастроительных фирм. Но мягкая финансовая политика, проводившаяся японским правительством в отношении авиапромышленности, которая предусматривала снижение налогов и льготное кредитование, позволила отказаться от эти планов. Тем не менее за шестьдесят дней (с декабря 1938 года по февраль 1939 года) фирма Тачикава Хикоки Кабушики Канша выпустила по лицензии пятьдесят Ki-27b. С учетом выпущенных Ки-27а, в общей сложности было выпущено 2057 машин, а с учетом опытных и предсерийных — 2069 (из них 2019 было построено на заводе Накадзимы в Ота). Таким образом Накадзима стала вторым после Мицубиси производителем самолетов в Японии.

Многие публикации утверждают, что Ki-27 также выпускался харбинской фирмой Маншу Хикоки Сейзо Кабушики Канша в Маньчжоу-го и общее количество выпущенных самолетов составляет около 3300 машин. И хотя сохранившиеся отчеты компании не подтверждают, но и не опровергают эту информацию, возможно за истребители приняты учебные Ki-79 (об этом самолете будет рассказано чуть позже), которые действительно выпускались в Харбине.

Ки-27b из учебного 101-го Кьоики Хикорентая, 1943 год.

Самолет из того же подразделения. Капот снят, сняты и панели на бортах фюзеляжа, демонтированы обтекатели стоек шасси и колес, установлены пневматики низкого давления. Хвостовой костыль заменен маленьким колесом. На левом крыле установлен фотокинопулемет.

Как уже упоминалось, на Ki-27 устанавливалось только стандартное оборудование (если не считать радиостанции на некоторых Ki-27b). Хотя конструкторы рассматривали различные варианты усиления вооружения самолета и зашиты топливных баков и кабины (серийные машины не имели даже лобового бронестекла), опасность увеличения веса и, как следствие, падение летных характеристик препятствовали внедрению этих изменений. После начала боевых действий в Китае ВВС обнаружили, что их истребителям не хватает дальности, особенно при сопровождении бомбардировщиков. Чтобы решить эту проблему, в июле и августе 1940 года два серийных Ki-27b оснастили дополнительным топливным баком, который установили за сидением пилота. Модернизированные таким образом машины получили обозначение Ki-27 КАИ (Кьюнана-Сики Кайзо Сентоки, слово "Кайзо" имеет значение модификация). Летные испытания показали, что при полностью заправленном дополнительном топливном баке самолет имел чрезмерно заднюю центровку, что делало его крайне сложным, если не сказать опасным, в пилотировании. В конечном итоге от этой затеи отказались, решив проблему путем установки двух 133-литровых подвесных баков, что позволило увеличить дальность полета до 470 км.

Одни источники утверждают, что один из Ki-27 КАИ позднее использовался для испытаний нового типа щитков, а другой — для отработки убирающегося шасси — эти элементы использовались на новом истребителе Накадзимы Ki-43 "Хаябуса". Другие источники говорят о том, что обе новинки были испытаны вместе на одном из этих самолетов. Некоторые старые публикации описывают Ki-27 КАИ как облегченный вариант Ki-27, но не объясняют, как этот сверхлегкий истребитель можно сделать ещё легче. Трудно определить где правда, а где вымысел из-за отсутствия детальной информации — не сохранилось даже ни одной фотографии Ki-27 КАИ. В любом случае, работы над этой модификацией были прекращены уже после того, как Ki-43 был принят на вооружение ВВС.

Ки-79b неизвестного подразделения на аэродроме среди других самолетов. Послевоенный снимок.

Уже с 1939 года, когда в части стали поступать Ki-27b, а стали использовать для продвинутого обучения. С 1941 года некоторые Ki-27b, снимаемые с вооружения передовых частей, стали передавать в летные школы. По некоторым данным около 150 а и 225 Ki-27b использовались в качестве учебно-тренировочных. Эти Ki-27 ничем не отличались от обычных истребителей, за исключением того, что на них как правило снимали обтекатели колес (впрочем, делали это и на боевых машинах) и иногда заменяли хвостовой костыль колесом. С некоторых из этих самолетов снимали хвостовой обтекатель — по всей видимости он использовался для буксировки мишеней (имевших форму цилиндра) в ходе учебных стрельб. На многих машинах над левым крылом устанавливался фотокинопулемет для фиксации результатов стрельбы. Самой интересной модификацией, использовавшейся главным образом на Ki-27b (хотя были и исключения), была замена стандартных колес на пневматики низкого давления, они устанавливались на полувилках и не имели обтекателей. Подобные колеса применялись и на учебных самолетах Тачикава Ki-9 и Ki-17 — они облегчали эксплуатацию на плохо подготовленных полевых аэродромах с мягким грунтом и неровной поверхностью.