Prototyp Ki-83.01 ukończono w październiku 1944 r., a 18 listopada tego samego roku wzniósł się on po raz pierwszy w powietrze. Podczas lotów testowych samolot w pełni spełnił pokładane w nim nadzieje, jednak dalszy postęp prac ograniczały problemy, jakich nastręczał wybrany do napędu samolotu silnik Mitsubishi Ha-211 I Ru. Silnik w układzie podwójnej gwiazdy z turbodoładowaniem, napędzający czterołopatowe śmigło o średnicy 3,5 m był wówczas najsilniejszą jednostką napędową jaką dysponowali konstruktorzy japońscy. Był to jednak silnik, którego konstrukcja nie była w pełni rozwinięta i cały czas trwały prace nad jego modyfikacją.
Wydział Techniczny zamówił kolejne trzy prototypy, w międzyczasie zainteresowanie nowym samolotem wyraziło lotnictwo Cesarskiej Marynarki Wojennej. Drugi prototyp Ki-83.02 był gotowy do prób w styczniu 1945 r., trzeci Ki-83.03 w marcu, a czwarty Ki-83.04 w kwietniu 1945 r. W samolotach zwiększono o 500 litrów pojemność zbiorników paliwa.
Aby zapobiegać flatterowi usterzenia, które pojawiło się w lotach przy dużej prędkości pierwszego prototypu, wzmocniono konstrukcję usterzenia poziomego, które dodatkowo zaopatrzono w trymery. Niestety, nie rozwiązane problemy z silnikiem uniemożliwiały wprowadzenie maszyny do produkcji seryjnej, a koniec wojny zatrzymał dalsze prace.