說到Ki-102，就得要從它的前身─Ki-96說起。Ki-96是日本陸軍為了攔截B-17、B-24和當時正在研發中的B-29所設計的單座雙引擎重武裝戰機，雖然Ki-96在試飛時大致上都滿足陸軍的要求，然而由於陸軍有鑒於Bf-110在歐洲的慘烈經驗，以及自身操作Ki-45的經驗，因此最後並沒有採用Ki-96。不過在當時陸軍卻要求川崎改良Ki-96，使其滿足高高空攔截機和對地攻擊機的兩種需要。在原Ki-96的設計師土井  武夫先生及其率領的設計小組努力不懈下，終於在1944年3月推出Ki-96的雙座改良型─Ki-102，並隨後完成了試飛

        Ki-102從外型看來可以知道是吸取了Ki-45的經驗，只是Ki-102的外型更佳的洗練流線，座艙罩造型也改為和號稱當時日本最快、最高高度偵察機的百式司偵相當類似，機身也和百式司偵相同為滾筒型，這種滾筒型機身可以有效的減低風組以增加速度。而Ki-102所搭載的Ha-112就是在海軍鼎鼎大名的金星發動機，金星的特點就是省油、輸出馬力重量比相當不錯，因此Ki-102整體性能相當不錯，在飛行表現上比陸軍的Ki-45好上很多，時速也高達580公里。另外Ki-102上還裝備了新式的橡實形導航定向無線電天線(D/F天線)，許多無線電設備也都換成了較新式的配備，不過螺槳部分仍然使用了較舊式的三葉式恆速螺旋槳，而當時許多同期的機種如中島的天雷、愛知的電光及三菱的飛龍都已經使用四葉式螺槳，甚至像景雲、震電等機還使用了六葉式螺槳，Ki-102在螺槳效率較低的狀況下還能有這般的良好表現已屬難得

        儘管如此，高高度戰鬥機型的Ki-102甲型還是面臨了技術上的問題，除了排氣渦輪增壓器散熱的問題一直無法解決，連帶使得Ki-102的高空性能受到了不少的影響外，Ki-102甲型的另一個隱憂就是沒有裝備增壓式座艙，雖然這當初是考量到被敵機擊中造成空氣外洩的問題，但這也影響了飛行員在高高度的表現。不過甲型還是製造了25架，全都因為排氣渦輪的問題而沒有實用化，這跟日本許多後期機種如連山、彩雲改及Ki-109(飛龍的防空機型)相同

        而相較之下，擔任九九式雙輕後繼機的Ki-102乙型的對地攻擊機型開發就順利的多了。Ki-102乙型不需要裝備排氣渦輪增壓器，因此很快的就進入量產階段。到終戰之前為止，乙型一共生產了215架，不過由於新型導航定位無線電的產量不足，因此有許多乙型並沒有裝備橡實形D/F天線，而仍舊使用舊型的柱式無線電發信桅。另外乙型上也裝備了Ho-401 57mm機砲，這種大口徑機砲是用來獵殺敵方的裝甲車所設計的反坦克砲，它裝備了高硬度的穿甲彈，能夠突破敵方坦克的裝甲，不過由於不像德軍使用的75mm機砲是所謂的無後座力砲，因此在命中精確度和機體震動的方面不太理想，雖然後來有出現搭載較長砲管的機型以改善命中精確度，不過成效不彰。而部分的Ki-102乙型被改裝為用來測試由川崎所開發的イ號一型乙空對地飛彈，這種特殊的飛彈是由機上的無線電進行導引，其上裝有三菱開發的特呂二號火箭發動機，能夠攜帶300公斤重的彈頭在空中以火箭推進80秒。不過其實イ號一型乙有很多技術上的問題，在1945年2月在伊東測試時，Ki-102母機上的無線電導引失效，結果這枚イ號一型乙的測試彈就這樣直接哉進了附近熱海溫泉區的一座旅館，造成了相當嚴重的死傷，加上盟軍的轟炸日漸嚴重，イ號一型乙到終戰時仍然沒有被實用化。而Ki-102乙型也是唯一有參戰的Ki-102，部分戰機甚至有參加沖繩戰役，但卻沒取得什麼戰果就是了

        由於高高度戰鬥機的甲型生產不順利，因此川崎以Ki-102甲型為基礎設計出了Ki-108。川崎在Ki-108上採用了加壓式座艙，這種座艙的空氣是由發動機增壓器所提供，使其能夠在高空中保持座艙的壓力，機艙的所有接縫則用橡膠封閉，以求加壓式機艙的密閉性。這種增壓式機艙對飛行員來說是一大利多，因為飛行員不需要帶著氧氣面罩，在機艙內的活動更方便，因此在接敵時反應也比較靈敏，不過考慮到被敵機擊中引起失壓的問題，Ki-108也帶有氧氣平和氧氣面罩，供機組人員在機艙失壓時使用。由於機艙有所謂的加壓動作，因此座艙罩的強度非常重要，另外也考慮到機組人員進出及跳傘時開閉的方便性，Ki-108的座艙罩改用類似蠶繭外型的半圓球形而和Ki-102有所不同，另外Ki-108也增加了主翼面積以改善機體的高空性能。Ki-108的設計在1945年1月完成，並在隨後建造出兩架原型機並進行試飛，不過兩架Ki-108在終戰時仍未完成所有測試，包括極重要的高空飛行測試，因此無從得知其高空性能

        而Ki-102最後的衍生型就是為了對付夜間轟炸日本的B-29機群所開發的夜戰機型Ki-102丙型。丙型是從Ki-102甲型修改而來，機上搭載有排氣管滅焰器和德製的新式雷達，並裝有排氣渦輪增壓器和斜角配置的Ho-5型20mm機砲。為了改善Ki-102丙型的性能和預留新裝備的空間，Ki-102丙型的機身比起甲型大上了不少。丙型預定在1945年7月製造出第一架原型機，不過在1945年6月時裝配的工廠就遭到美軍的轟炸全毀，因此事實上並沒有任何一架的丙型出廠