W porównaniu z Ki-18 zmieniono kształt osłony silnika (którym była nowa jednostka napędowa Nakajima Ha-1b) oraz kadłuba i statecznika pionowego, a do kabiny pilota dodano osłonę składającą się z dwóch bocznych szyb i jednej górnej (kokpit nadal nie był zakrywany w całości kopułką). W sierpniu 1936 roku ukończono pierwszy prototyp, a pod koniec tego samego roku drugi – oznaczony Ki-33.02 – w którym płat otrzymał zwichrzenie dodatnie, co miało poprawić zwrotność samolotu.
Wstępne badania porównawcze w Kakamigaharze, a następnie w Lotniczym Instytucie Badawczym w Tachikawa wykazały wyższość konstrukcji inżyniera Horikoshiego nad konkurentami – Ki-27 i Kawasaki Ki-28 – od których był szybszy i zwrotniejszy. W trakcie dalszych badań zespół Horikoshiego został jednak zaangażowany w modernizację morskiego wariantu samolotu A5M2, toteż nie mógł on podołać obydwu projektom. Umożliwiło to wytwórni Nakajima modernizację swojego Ki-27 i ostatecznie to on został zwycięzcą konkursu na nowy myśliwiec lotnictwa wojsk lądowych. Konstrukcja Ki-33 był jednopłatowym, wolnonośnym, metalowym dolnopłatem z podwoziem stałym z tylnym podparciem. Półotwarta kabina pilota.