原本匹配Ha-40發動機的飛燕機身寬度為84cm，但換裝Ha-112星型發動機後必須大幅增加至122cm；不過日本在太平洋戰爭初期向德國引進Fw-190A5，這架戰機在設計上也有類似狀況，Fw-190的解決方案是設計一套整流排氣管，在機身落差處施以熱推力排氣將紊流吹走，以減少附著於機身的境界層阻力，川崎的設計小組參考此設計，並在3個月內完成五式戰的排氣管相關設計。除了排氣管，發動機整流罩下方增設發動機潤滑油用散熱器，對川崎團隊來說堪稱幸運的是：機體與發動機的型架接點只要略做修改，就可以順利安裝。最後於1945年2月完成原型機，2月11日之前完成試飛，2月中旬正式獲得陸軍採用，五式戰鬥機也就此誕生。
由於發動機更換，機首縮短，駕駛座前向視野略為改善；但機鼻整流罩的外形變化造成了正投影面積下的空氣阻力增加，因此五式戰試飛時的最高時速低於同等動力的三式戰二型，僅有時速580公里的水準；不過三式戰二型僅有不到60架，幾乎沒幾個單位能領取使用，如與當時服役已有段時日的三式戰一型系列相比改善就極為顯著。不只是最高極速超過三式戰一型丁至少20公里，巡航時速更高出50-60公里左右。
換裝空冷發動機後，除了發動機重量較輕(Ha-112比Ha-40輕40公斤，較Ha-140輕160公斤)，在拆除液冷發動機機腹冷卻散熱器及相關配線、讓機腹線條較為流線平滑，並撤掉因發動機重量調整的尾部配重物後，五式戰一口氣較飛燕二型減輕約330公斤的重量(與飛燕一型丁相較則是輕了100公斤)。原先拆除設備的用意是因應更換發動機後的簡化手續，但是減輕飛機重量意味著降低翼負荷；飛行員實際試飛五式戰時，意外發現減輕這些重量後，五式戰爬升率和機敏性竟超越疾風，繼承自三式戰的機身與機翼結構，使該機俯衝速限也接近三式戰，可輕易突破800km/h ；俯衝加速雖遜於三式戰大部分型號(特別是三式戰二型)，但其餘加速性能皆優於三式戰，尤其是在爬升速度表現，五式戰仍維持與飛燕二型同等性能，遠優於飛燕一型丁。
軍方對修改後的飛機感到十分滿意，對土井團隊直稱「天佑吾皇」；並在1945年7月14日由陸軍大臣阿南惟幾頒發給川崎飛機感謝狀，獎勵該廠開發五式戰的成果。不過即使五式戰作為本土防衛戰中的格鬥型戰機性能是破格般的優秀，這些效能在攔截美國陸航B-29與P-51D等編組從動輒三萬呎以上高空的進襲時仍顯不足。為了滿足高空攔截需求，因此Ki-100-II規劃將發動機安裝渦輪增壓器，按照紙上試算，安裝渦輪增壓器之後的五式戰二型，將可在10000公尺高度達到時速590km/h。
五式戰二型試作機的實飛最大時速達到每小時586公里，速度上雖差強人意，但締造該數值的飛行高度僅在8000公尺，並非原訂想像高度，在1萬公尺高度時的時速僅有565km/h。即使如此，這等成績在當時的日本一線戰機中仍屬成績較佳者，且川崎還有後續的加力劑注入計畫，預計在萬米高度上可再增強20~30km/h的時速。不過在這之前，日本此款配備渦輪增壓器的發動機僅在少量生產的百式司令部偵察機(百式司偵)四型上有過幾次實用經驗，發動機本身亦不過是省略中冷器的簡易版，不僅壽命極短且效能不安定，與歐美真正將整套渦輪增壓系統成熟實用化的機種完全無法相提並論。再考慮當時日本的工業力極限及嚴重受創後的產能，即使量產，是否真能達到計畫性能以及實戰效能，實際上相當令人存疑。
Ki-100-I Kou(五式戰鬥機一型甲)：自三式戰二型改裝而來的標準型。
Ki-100-I Otsu(五式戰鬥機一型乙)：換裝與飛燕二型後期型同樣的水滴型座艙罩以改善駕駛員後方視野，不過在官方公文上並無此種改良型的正式編號。
Ki-100-II(五式戰鬥機二型)：預計換裝Ha-112-II-Ru(Ha-112-II改裝廢氣渦輪增壓器的改良版)，此款衍生型在1945年4月完成設計、5月完成改裝，共改裝3架進行測試，原定希望在9月排入生產，但因日本戰敗未執行。測試機發動機則是由使用同款發動機測試的百式司偵挪用而來。
在運用測試中，該款發動機在10000公尺高度仍有1000匹馬力輸出，不過增設渦輪增壓器將為發動機增加150公斤的重量，爬升到10000公尺需18分鐘；8000公尺高度極速每小時590公里、10000公尺高度極速每小時565公里。日本陸軍希望藉由此款發動機讓五式戰可以進行高空攔截任務，但是在改裝測試期間戰爭便已結束，加上測試飛行員數量極少，因此實際評價不明。
在日軍決定盡速將五式戰量產後，1945年2月川崎將工廠內200架沒有發動機的三式戰二型機體進行修改工程；不過按照川崎方面的資料，沒發動機的三式戰二型機體最多只有275架，所以多出來的機體若非新造就是有其他來源。多賀一史在2002年的著作中認為，其中一部分的改造機體有從發動機撐不下去的三式戰中移用改造，這個假設在太平洋戰爭研究會於2001年出版的作品中也提到(一部分Ha-40發動機有問題的三式戰一型也作為改裝素體使用)。
當時川崎的生產目標是希望能月產200架，實際上出廠規模則從沒到達這個數字。1945年2月，第1架改裝的五式戰出廠、3月改裝36架、4月改裝89架，此後改裝的進度陸續加快。不過究竟生產幾架五式戰，目前仍諸說紛紜，早期論點認為納入3架原型機，合計生產393架。大部分換裝五式戰的部隊是原本採用三式戰的單位，包括陸軍第5、17、18、59、111、112、244等7支飛行戰隊，但這些飛行戰隊並沒有全面完成換裝任務，預估總生產量不超過400架。
至於川崎工廠的產量，片淵須直研究後認為岐阜工廠在1945年2月遞繳1架、3月遞繳36架、4月遞繳89架、5月遞繳131架、6月遞繳88架、7月遞繳23架、8月遞繳10架、該工廠合計遞繳了381架改造機；但除了岐阜工廠，都城工場在1945年5月以後也加入五式戰生產，在日本投降前至少生產出17架戰機。實際生產總數至少為「398架+不明完工數」；Picarella Giuseppe、渡邊洋二則認為含3架原型機總生產機體為390架。
不過由繳納數量可觀察到，理應進入量產的五式戰在1945年6月後產能遽降，這是因為日本本土轟炸同時摧毀了飛機製造與發動機製造廠。在1945年6、7月，川崎飛機岐阜工廠開始遭大規模空襲；至於三菱的發動機工廠除了遭東南海地震破壞，早在1944年12月也遭到空襲破壞，這兩者因素加總讓五式戰後期產能遽降。
評價
由於四式戰鬥機「疾風」的發動機在生產技術不良的影響下導致妥善率偏低，當時日本陸軍空中作戰只能用舊型的一式戰鬥機與少量的鍾馗(二式單座戰鬥機)撐場，缺乏新型機的日本陸軍對五式戰鬥機報予一定程度的期望。
雖說是急就章的應急機種，但在飛機設計工程師的努力下，五式戰機體配重、火力、機動力等各方面表現都超越以往的舊型戰機；雖然表定性能與三式戰差不多，更不如當時歐美一線戰機，但對日軍而言五式戰已經是最接近歐美戰機水平的機型，加上發動機採用年代已久的金星系列，因此在妥善率與後勤上無可挑剔，維修人員甚至打趣讚揚金星是「就算灌潤滑油進去燒，發動機照樣能動」。所以五式戰是在戰爭末期少數同時受前線從飛官到後勤人員，甚至高層均讚譽有加的戰機，以整體性能的平衡性而言屬於當時日本陸軍第一的戰鬥機。
五式戰鬥機生產期間由於已經接近戰爭末期，因此所有機體都集中在日本本島以面對即將到來的本土決戰。主要部署部隊有：
飛行第5戰隊(部署於中京地區)
飛行第59戰隊(部署於北九州地區)
飛行第244戰隊(部署於中京、北九州、日本首都圈地區)
飛行第111戰隊(由明野教導飛行師團改編)
飛行第112戰隊(由常陸教導飛行師團改編)
以上5支完整換裝的飛行戰隊當中有2支是由教育單位改編的戰術戰鬥機部隊，教育單位的飛官因為多半自開戰前的戰術教育因素，對於操縱性較好的戰機較為適應；如明野教導飛行師團的檮原秀見中校曾駕駛五式戰與3架四式戰進行模擬戰仍暫居優勢，因此上呈給航空本部的報告書中講說「1架五式戰有著3架四式戰以上的價值，所以請盡快全速量產」；雖然當時四式戰一直被發動機生產品質拖累所以無法發揮完全性能，且教育單位的老練飛行員較能發揮格鬥優勢所以對於五式戰的評價又有加分。同樣由教育單位改編的常陸教導飛行師團評價五式戰與四式戰也是類似狀況，刻意褒揚其爬升速度、靈敏性等特質，最後得出「五式戰較為優秀」的結論。原本即為實戰單位的評價則較為保守，但五式戰撥交單位全是先前操作飛燕的部隊，原本使用飛燕一型丁的單位在換裝五式戰後更因為飛機性能較好、且妥善率高，換裝單位的士氣均大為振奮。第59飛行戰隊評價五式戰認為「可與P-51對等抗衡、對付F6F無問題、F4U只是被當靶的鴨子」，第244飛行戰隊隊長小林照彥少校則認為「駕駛五式戰時至少可保持絕對不敗」。
除了前5支有實戰紀錄的單位外，原配備三式戰的單位有部分在1945年初也開始換裝，於東京調布重整的飛行第18戰隊在3月開始接機、6月完成重編，但缺少實戰紀錄；1945年3月派赴臺灣花蓮港的飛行第17戰隊在1945年6月20日起開始實施換裝訓練，但日本戰敗前尚未換裝完畢；因為本土決戰前的戰力溫存策略、以及機種轉換訓練多半未能完成，因此五式戰實戰次數非常少。
五式戰可考證之第一次實戰為1945年6月5日，飛行111戰隊攔截13架B-29轟炸機，戰績號稱擊落6架，23名轟炸機成員跳傘，攔截機隊則損失2架。
1945年7月16日，111戰隊由「義肢王牌」檜與平少校、江藤豐喜少校率領24架五式戰，加上其他戰隊的零戰、紫電改、隼等等總數約60架日機，攔截並迎戰自硫磺島起飛、所屬美國陸軍航空軍21st FG、506th FG的96架P-51D。此場空戰以美軍擊墜日軍25架(其中五架為五式戰)，擊傷18架、日軍擊墜美軍1架，擊傷2架收場。檜與平少校在當次空戰中被15架P-51包圍，仍完成一架擊墜的空戰紀錄；雖然後世批判攔截作戰時檜與平指揮能力欠當，但此人對五式戰評價相當滿意，認為：「(與P-51交戰)不作出過當操作的話，絕對不會被擊落」，飛行224戰隊第1中隊長生野文介上尉也有相同的看法。
1945年7月25日(昭和20年)，飛行244戰隊於八日市市上空與美軍貝勒森林號航空母艦(USS Belleau Wood，CVL-24)的18架F6F地獄貓對戰；此役244戰隊派出16架五式戰攔截，日軍被擊落1架，而美軍統計則是2架遭擊落。但即使是戰爭末期，雙方評估損失仍有許多出入，單方面的資料很有可能誤判～像這場空戰，日軍評估認為「擊落10架敵機、擊傷3架、自損1架」，而美軍則判定「擊落8架日軍戰機、推測擊落3架、擊傷3架，美軍損失2架」。雙方都有高估對手作戰損失的情況。
1945年7月28日，飛行244戰隊18架五式戰與24架F6F地獄貓交戰，日軍號稱擊落12架F6F，己方損失2架。
由於五式戰的優秀表現，日軍一度有停產四式戰由五式戰全部接手的打算。不過由於1944年的東南海地震以及空襲對三菱工廠的傷害極大，三菱金星發動機的生產順序也被排後，在發動機來源沒有著落的結果下，日軍只能維持四式戰的量產決策，五式戰也就僅有少量生產而沒有大量服役。
登場作品
荒野的壽飛行隊(TV)
第8話開始(伊凱斯卡常備軍／自由博愛聯合所屬機)。
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<飛燕小啟>
創作內容
[軍火百科]落日餘暉：五式戰鬥機「Ki-100」
飛燕的小書桌 (4)
