Разработка Ki-109 началась ещё в ноябре 1943 года, при этом изначальный проект предусматривал создание двух ночных вариантов этого самолёта, которые должны были работать в паре. Предполагалось, что один из них будет нести на борту зенитный прожектор, а другой — две 37-мм пушки, установленные по схеме «неправильная музыка». Позднее от этого решения отказались, так как выяснилось, что американцы предпочитают проводить авианалёты при свете дня.

Проект был переработан, в результате чего новый Ki-109 превратился в полноценный дневной перехватчик, вооружённый 75-мм зенитной пушкой Type 88. От своего предшественника Ki-67 новый Ki-109 унаследовал только лучшие качества. Быстрый, маневренный и вместительный самолёт отлично подходил на роль тяжёлого перехватчика, однако был у него один недостаток — низкая скороподъёмность. Для максимального облегчения нового самолёта было решено демонтировать всё оборонительное вооружение, кроме хвостовой стрелковой установки с одним крупнокалиберным пулёметом Ho-104. Предпринимались даже попытки установить на Ki-109 ракетные ускорители, однако успехом они не увенчались.

Мощная 75-мм зенитная пушка Type 88, установленная в носу Ki-109, была отличным орудием на момент принятия на вооружение (1928 год или 2588 по традиционному японскому календарю), но к началу Второй мировой войны считалась уже устаревшей. Тем не менее, немало американских M4 Sherman были уничтожены огнём именно из этих зениток во время Битвы за Окинаву. На борту Ki-109 это орудие должно было использоваться для поражения американских «крепостей» фугасными снарядами с безопасной дистанции в один километр. Ручную перезарядку пушки Type 88 в полёте осуществлял штурман.

Всего в период с 1944 по 1945 гг. было произведено 22 тяжёлых истребителя Ki-109, большую часть из которых направили на вооружение 107 противовоздушного сентая. Некоторые Ki-109 также испытывались в качестве противокорабельных штурмовиков, но точной информации о результатах этих испытаний не сохранилось.