В начале войны на Тихом океане единственными бомбардировщиками союзников, способными противостоять японским истребителям, оказались немногие В-17. По мере изменения хода войны союзники все чаще стали использовать Либерейтор В-24 более подходящие в условиях боев над просторами Тихого океана среди многочисленных островов. Для японцев встала серьезная проблема уничтожения высотных бомбардировщиков, хорошо защищенных и вооруженных. К тому же до штаба армейской авиации японцев стали доходить сообщения о разработке в США еще более мощного бомбардировщика В-29 Суперфортресс. Японцам предстояло серьезно подумать о будущем.

В начале 1943 г испытания бомбардировщика Мицубиси Ки 67 показали отличные скоростные и маневренные качества этого самолета. В результате в ноябре 1943 г сотрудники армейского авиатехнического института в Тачикаве предложили переделать Ки 67 в истребитель. Проект получил обозначение Ки 109 и предусматривал два варианта: Ки 109а был «охотником» с парой 37 мм пушек Ho 203, установленных с наклоном под фюзеляжем, а Ки 109b был «загоняющим» с локатором и 40 см поисковым прожектором.

Однако вскоре проект пересмотрели: по предложению майора Сакамото было решено установить на Ки 67 обычную 75 мм зенитку тип 88. Предполагалось, что дальность стрельбы этой пушки позволит истребителям действовать, не входя в зону оборонительного огня. Так как воздушный штаб армии предполагал, что В-29 будут действовать без прикрытия истребителей, то проект сочли удачным. Работы были одобрены в январе 1944 г, а самолет сохранил обозначение Ки 109.

Переделка Ки 67 под установку в носу 75 мм пушки проводилась инженером Озава. Первый опытный самолет был готов в августе 1944 г, а через два месяца В-29 совершили свой первый налет на Японию. За исключением переделки под пушку носовой части фюзеляха, опытный Ки 109 практически не отличался от Ки 67, даже сохранил оборонительные башни. Hаземные и воздушные огневые испытания проводил майор Макиура из состава авиационного института в Тачикаве. Испытания оказались успешными, и последовал заказ на 44 самолета. Первые 22 были оснащены двумя 1900-сильными двигателями Мицубиси Ha 104 воздушного охлаждения.

Последующие самолеты планировалось оснастить Ha-104 Ru с турбокомпрессорами Ru 3, что должно было улучшить высотные арактеристики истребителя, столь важные для перехвата В-29. Эти двигатели были испытаны еще на втором опытном Ки 109, но реально серийные машины их не получили. Чтобы поднять скороподъемность на первом опытном самолете в бомбоотсек ставились твердотопливные ракеты, но эта схема не была принята.

Hачиная с третьего Ки 109, башни были сняты, а бомбоотсек заделан. Боезапас пушки состоял из 15 снарядов. Орудие вручную перезаряжал второй пилот. Оборонительное вооружение состояло из 12, 7 мм пулемета тип 1 в хвостовой установке. В целом планер и силовая установка были аналогичны бомбардировщику Ки 67. Hесмотря на недостаточные высотные характеристики, Ки 109 были приняты на вооружение 107 сентая, но ко времени поступления достаточного числа таких истребителей В-29 уже перешли к ночным налетам с небольших высот.