После объявления конкурса инженеры Накадзима приступили к работам над новыми прототипами, которые по сути являлись дальнейшим развитием РЕ. Первые летные испытания, которые провел шеф-пилот Накадзимы Киоши Шиномия показали, что РЕ по своим летным характеристикам соответствует требованиям Коку Хомбу за исключением маневренности. Поэтому работа инженеров фирмы была сосредоточена на улучшении этой характеристики. Первый из прототипов Ki-27, получивший обозначение 01 (Ki-27.01) впервые взлетел 15 октября 1936 года с аэродрома Оджима около города Ота. Вскоре на него установили новое крыло увеличенной площади (17,60 м2), чтобы улучшить маневренность, а кабину сделали закрытой, оснастив её сдвижным фонарем. В остальном новый самолет был практически идентичен РЕ. Модернизированный таким образом Ki-27.01 снова поднялся в воздух в декабре 1936 года.

В феврале 1937 года был готов второй прототип, Ki-27.02, размах крыла которого увеличился до 11,31 м, а площадь — до 18,56 м2 (на 13 % больше, чем у РЕ). Нагрузка на крыло уменьшилась с 77,27 кг/м2 (Ki-27.01) до 73,28 кг/м2. Крыло получило отрицательную крутку (угол установки постепенно уменьшался от 20 в корне до 0,50 на концах), что обеспечило Ki-27.02 лучшую маневренность, чем у Ki-27.01. Максимальная скорость при этом снизилась на 6,5 км/ч. Ещё одним внешним отличием стал капот двигателя (теперь без выпуклостей над толкателями клапанов) и новый фонарь кабины.

Ки-27а с номером «83» на руле. Вероятно это один из самолетов, которые в начале 1940 годи «играли роли» в японском фильме о героических подвигах Императорских ВВС в Китае.

Накадзима Xa-1b (Хи-1 Оцу) — 9-цилиндровый мотор воздушного охлаждения, который устанавливался на все модели Ки-27.

В январе 1937 года аэродром Армейского Технического Летно-исследовательского института в Тачикава стал местом проведения сравнительных испытаний трех конкурирующих истребителей. Они продолжались почти год, до 28 декабря 1937 года, и, по всей видимости, являлись самыми продолжительными испытаниями в истории IJAAF. Впоследствии Коку Хомбу принял решение отказаться от таких конкурсов, поскольку они отнимали слишком много времени и приводили к серьёзным финансовым потерям проигравшие фирмы. Истребители следующего поколения уже разрабатывались производителями, заранее отобранными Штабом армейской авиации.

Летные испытания показали, что Кавасаки Ki-28 является самым скоростным среди конкурентов. Хотя у земли он со своими 410 км/ч уступал Ki-33 (412 км/ч) и Ki-27 (420 км/ч), а на высоте 1000 м его скорость составляла 432 км/ч против 433 км/ч у Ki-33 и 437 км/ч у Ki-27. Но с высоты 2000 м Ki-28 превзойти не удалось: Ki-28 и Ki-33 развивали скорость 454 км/ч, а Ki-27 -445 км/ч. Максимальную скорость 485 км/ч Ki-28 развивал на высоте 4000 м, где Ki-33 и Ki-27 смогли достичь лишь 468 км/ч (для Ki-27 это была максимальная скорость). Максимальную скорость Ki-33 развивал на высоте 3000 м, она составляла 474 км/ч против 476 км/ч у Ki-28 и 467 км/ч у Ki-27. На высоте 5000 м максимальная скорость Ki-28 составляла 483 км/ч, Ki-27 — 467 км/ч и Ki-33 — 461 км/ч. На высоте 6000 м Ki-28 был способен развить 481 км/ч, в то время как его соперники заметно отставали: Ki-27 — 463 км/ч и Ki-33 — 454 км/ч.

Данные о скороподъемности, полученные в результате испытаний, показали следующую картину: высоту 1000 м Ki-28 набрал за 1 мин 5 сек; Ki-27 — 1 мин 3 сек и Ki-33 — 1 мин 16 сек. Для высоты 2000 м результаты распределялись следующим образом: Ki-28 — 1 мин 59 сек, Ki-27 — 2 мин, Ki-33 — 2 мин 15 сек; для 3000 м — 2 мин 54 сек, 3 мин 2 сек, 3 мин 16 сек; для 4000 м -3 мин 57 сек, 4 мин 14 сек, 4 мин 29 сек; для 5000 м — 5 мин 10 сек, 5 мин 38 сек, 5 мин 56 сек; для 6000 м — 6 мин 36 сек, 7 мин 17 сек, 7 мин 42 сек.

На результаты, несомненно, повлияло то, что Ki-28 был оснащен самым мощным двигателем. Однако истребитель Кавасаки был и самым тяжелым из конкурентов — пустой самолет весил 1420 кг, а взлетный вес составлял 1760 кг. Пустой Ki-27 весил 970 кг, взлетный вес составлял 1360 кг, для Ki-33 значения этих параметров были равны 1132 кг и 1462 кг соответственно. При площади крыла 19 м2 у Ki-28, 18,56 м2 у Ki-27 и 17,8 м2 у Ki-33, нагрузка на крыло составляла соответственно 92,63 кг/м2, 73,28 кг/м2, 82,13 кг/м2. Как видно, наименьшее значение этого параметра было у Ki-27, что обеспечивало ему лучшую маневренность. Действительно, этот самолет делал горизонтальный разворот на 360 — за 8,1 секунды, радиус разворота составлял 86,3 м, для Ki-33 эти значения составляли 9,8 секунды и 97,5 м, а для Ki-28 — 9,5 секунды при радиусе разворота 111,3 м (!)

Рассмотрев результаты, полученные в ходе летных испытаний, а также учитывая такие характеристики, как надежность силовой установки и простоту эксплуатации весной 1937 года Коку Хомбу отдал предпочтение истребителю Накадзима Ki-27. Компания получила заказ на десять предсерийных самолетов, которые получили обозначения Ki-27.03 — Ki-27.12. Первый из них был готов в июне 1937 года, а после-Пара Ki-27b 1-го Чутая 13-го Сентая, 1940 год. Стойки шасси оснащены пневматиками низкого давления, обтекатели сняты. В то время эмблемой подразделения была катакана "КаКо" на киле, указывающая на ее место базирования — Какогаву.

Внешне они были очень похожи на Ki-27.02, но с вертикальным оперением большей площади с более скругленной задней кромкой и новым остеклением кабины (трубка телескопического прицела проходила теперь через лобовое стекло, восстановили обтекатель за кабиной, но сделали в нем окна для обзора в бок — назад). Некоторые из последних самолетов этой серии были оснащены мощным двигателем Накадзима Ха-1b (Ха-1 Otsu) взлетной мощностью 710 л.с. (максимальная мощность -780 л.с. на высоте 2900 м). Испытания подтвердили хорошие летные характеристики самолета, и 28 декабря 1937 года Коку Хомбу официально объявило о завершении конкурса, выбрав Ki-27 с мотором Ха-1Ь для запуска в серию. ВВС императорской армии присвоили новому самолету официальное обозначение Армейский истребитель Тип 97 Модель А (Кьюнана-Сики Сентоки) или, коротко, Ки-27а (Ки-27Ко).

Ки-27b 10-го Докурицу Чутая, Китай, 1939–1940 годы. Перед самолетом с б/н «301» стоит командир подразделения капитан Киёши Кимура (сам он летал на машине с б/н «55»). В 1938–1940 годах все самолеты 10-го Докурицу Чутая имели хвостовое оперение черного цвета с белыми номерами.

Пара Ки-27b 1-го Чутая 13-го Сентая, 1940 год. Стойки шасси оснащены пневматиками низкого давления, обтекатели сняты. В то время эмблемой подразделения была катакана «КaКo» на киле, указывающая на ее место базирования — Какогаву