В начале войны на Тихом океане единственными бомбардировщиками союзников, способными противостоять японским истребителям, оказались немногочисленные В-17 «Flying Fortress». По мере изменения хода войны союзники все чаще стали использовать B-24 «Liberator» – 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 «Superfortress». Японцам предстояло серьезно подумать о будущем.
В начале 1943 года испытания бомбардировщика Mitsubishi Ki.67 показали отличные скоростные и маневренные качества этого самолета. В результате в ноябре 1943 года сотрудники армейского авиатехнического института в Тачикаве предложили переделать Ki.67 в истребитель. Проект получил обозначение Ki.109 и предусматривал два варианта: Ki.109а был «охотником» с парой 37-мм пушек Ho-203, установленных с наклоном под фюзеляжем, а Ki.109b был «загоняющим» с локатором и 40-см поисковым прожектором. Однако вскоре проект пересмотрели – по предложению майора Сакамото было решено установить на Ki.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 года, а самолет сохранил обозначение Ki.109.
Переделка Ki.67 под установку в носу 75-мм пушки проводилась инженером Озава. Первый опытный самолет был готов в августе 1944 года, а через два месяца В-29 совершили свой первый налет на Японию. За исключением переделки под пушку носовой части фюзеляха, опытный Ki.109 практически не отличался от Ki.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 двадцать два самолета были оснащены двумя 1900-сильными двигателями Mitsubishi Ha-104 воздушного охлаждения. Последующие самолеты планировалось оснастить Ha-104Ru с турбокомпрессорами Ru-3, что должно было улучшить высотные характеристики истребителя, столь важные для перехвата В-29. Эти двигатели были испытаны еще на втором опытном Ki.109, но реально серийные машины их не получили. Чтобы поднять скороподъемность самолета на первом опытном самолете в бомбоотсек ставились твердотопливные ракеты, но эта схема не была принята.
Hачиная с третьего Ki.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 Ki.67. Hесмотря на недостаточные высотные характеристики, Ki.109 были приняты на вооружение 107-го сентая, но ко времени поступления достаточного числа таких истребителей В-29 уже перешли к ночным налетам с небольших высот.