Hесмотря на то, что Ki.30 отличался такими новыми для японских легких бомбардировщиков решениями, как двухрядный звездообразный двигатель воздушного охлаждения, винт изменяемого шага, внутренняя подвеска бомб и щелевые закрылки, он не снискал себе славы. Его боевая карьера была мало известна – он в основном использовался в небе Китая, где не встречал практически никакого противодействия. Правда, благодаря легкости в управлении и обслуживании, Ki.30 надолго запомнился своим экипажам.
В середине 30-х годов армейская авиация приступила к реализации внушительной программы модернизации своих сил, включая производство целого ряда машин собственной японской разработки. К весне 1939 года были готовы опытные образцы истребителя, бомбардировщика и разведчика – соответственно Nakajima Ki.27, Mitsubishi Ki.21 и Mitsubishi Ki.15. Они были запущены в серийное производство. Оставалось только найти замену для легких бомбардировщиков Kawasaki Ki.3 и Mitsubishi Ki.2. Этот недостаток в программе перевооружения ВВС был восполнен заказом на Mitsubishi и Kawasaki в декабре 1936 года двух опытных легких бомбардировщиков. Спецификации определяли максимальную скорость в 400 км/час на высоте 3000 м, скороподъемность на высоту 3 тыс. м – 8 мин, двигатель Mitsubishi Ha-6 мощностью 825 л.с. или Nakajima Ha-5 – 850 л.с. – оба воздушного охлаждения, либо Kawasaki Ha-9-IIb мощностью 850 л.с. жидкостного охлаждения. Бомбовая нагрузка задавалась в 300...450 кг, вооружение – один пулемет для стрельбы вперед, второй – на оборонительной установке для стрельбы назад. От самолета требовалось бомбометание с пикирования под углом 60°, экипаж должен был состоять из двух человек, а взлетный вес ограничивался 3200 кг.
Самолет был разрабатывался инженерами Кавано, Оки и Мицуно под руководством полковника Комамура. Первоначально для Ki.30 Mitsubishi планировала использовать убираемые стойки шасси. Однако продувки в аэродинамической трубе показали, что выигрыш в скорости не компенсировался возросшим взлетным весом и сложностью системы уборки. В результате были приняты не убираемые стойки шасси. Конфигурация самолета была принята среднеплана, что позволило выделить место под бомбоотсек. С двигателем Mitsubishi Ha-6 воздушного охлаждения и трехлопастным винтом изменяемого шага первый опытный самолет полетел 28.02.1937 в Кагамигахаре под управлением летчика-испытателя Ямагучи. Второй опытны самолет был оснащен двигателем Nakajima Ha-5. Хот самолеты были закончены с двухмесячным отставанием от графика и были несколько перетяжелены, управляемость и летные характеристики оказались удовлетворительными. Так, максимальная скорость достигал 423 км/час на высоте 4000 м, что оправдало самые оптимистичные ожидания армии.
Для войсковых испытаний к январю 1938 года был выпущены шестнадцать самолетов, оснащенных двигателями Nakajima Ha-5 KAI. Они отличались от первых двух самолетов переносом пулемета со стойки шасси на крыло и снятием обтекателя с внешней стороны колеса, чт облегчало полеты с раскисших полей. Эти доработки были проведены по результатам специальных испытаний одного из первых самолетов в октябре 1937 года. В мае 1939 года самолет испытывался с лыжным шасси. В серию Ki.30 был запущен под обозначением «легкий бомбардировщик армейский тип 97» на заводе Mitsubishi в Hагое в марте 1938 года. До апреля 1940 года завод поставил 618 самолетов. Еще 68 самолетов сдал Первый армейский военно-воздушный арсенал в Тачикаве.
Боевая карьера Ki.30 началась в Китае в 1938 года где он показал себя самым надежным самолетом. Его потери в боях были сравнительно невелики, так как бомбардировщик в основном действовал под прикрытием истребителей Ki.27. С началом войны на Тихом океане части с Ki.30 использовались на Филиппинах, после того, как оттуда выбили практически все самолеты союзников. Hо карьера бомбардировщика уже клонилась к закату – потери быстро росли. Ki.30 были направлены в учебные части, а несколько машин были переданы ВВС Сиама. Первый таиландский Ki.30 был использован в январе 1941 года в боях против французских войск в Индо-Китае. В конце войны Ki.30 встречались среди самолетов камикадзе.