1938年开始配发前线部队，1939年与苏联发生冲突之诺门罕战役与苏联空军的伊-15以及伊-16战斗机交战中，在这两次冲突中日本宣称击落了苏联1252架飞机（苏联资料中被击落的飞机仅有200架），而日本陆军承认损失是遭击落与重损共157架（未归还机与被击落机64架，其中九七战51架，53名驾驶战死）。比起苏联，日本的飞行机耗损达到参战机的6成。

诺门罕冲突中，九七式的良好回转性获得证明并在初期与苏军对战时获得优势，但是第二次战争时苏军的I-16所使用的一击脱离战术已经开始有效的克制回转攻击的效果，并带给老练飞行员大量的伤亡，但日本陆军对于此点并未察觉，而是满足在轻型战斗机的运动性优势，对于后来的新型战机开发上仍以回转运动性为优先考量下，对日后日军的战机开发带来不利的结果。

除了日军以外，太平洋战争中后期日军战机更新后退役的九七战有部份交给了伪满洲国或是泰国，并在空战时曾经击落过1架P-38。

由于Ki-27的发展潜力有限，所以各种改进型号只是在细节上略有不同。（TTcX.net)

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改动主要集中在引擎罩，滑油散热器和座舱罩的设计上，后者使得Ki-27成为世界上第一种采用水滴型座舱罩的飞机。同时，该型号在机身下方增设了挂架，可以选择挂载四枚25公斤炸弹或是两个容量为133升的辅助燃料箱。约有四分之一的乙型飞机装备了九六式丙型无线电收发报机，还有些飞机用尾轮替代了原先所使用的尾橇。

九七式战斗机和日本海军的九六式舰上战斗机同为第二次世界大战初期日军主力战斗机，两者外表也极为相似，最大的不同是九七式采用封闭式驾驶舱而有座舱盖，而九六式采用开放式驾驶舱而无座舱盖。