Drugi prototyp spełniał już założenia dla tego typu samolotu i we wrześniu 1938 r. przystąpiono do produkcji seryjnej pod oznaczeniem Mitsubishi Ki-30. Jego produkcja seryjna trwała do kwietnia 1941 r., przy czym większość została wyprodukowana w zakładach Mitsubishi w Oe-machi, a oprócz tego produkowany on był w 1. Lotniczo-Technicznym Arsenale Armii Lądowej w Tachikawa. Łącznie wyprodukowano 704 samolotów Mitsubishi Ki-30.
Użycie Mitsubishi Ki-30 od momentu rozpoczęcia produkcji seryjnej w marcu 1938 był systematycznie wprowadzany do jednostek lotniczych japońskiej armii lądowej i pod koniec 1938 r. stał się podstawowym samolotem bombowym.
Samoloty te trafiły przede wszystkim do jednostek stacjonujących i walczących w Chinach, gdzie służyły do końca II wojny światowej. Część samolotów trafiła również później do jednostek stacjonujących w Indochinach oraz na Filipinach, gdzie jednak szybko zostały zastąpione przez samoloty Mitsubishi Ki-51. Od 1942 r. samoloty te były używane w jednostkach treningowych, a pod koniec wojny użyto ich do lotów samobójczych przez pilotów kamikaze.