W miarę uzyskania dostępności ulepszonych silników Kinsei 41 i Kinsei 42, w 1937 roku uruchomiono produkcję nowej wersji samolotu, oznaczonej jako G3M2. Samolot ten stał się podstawowym modelem bombowca, którego produkcja do połowy 1941 roku sięgnęła 581 maszyn. Prędkość maksymalna tego wariantu wzrosła do 374 km/h, zaś maksymalny ładunek bombowy do 800 kg przenoszony był zewnętrznie. Uzbrojenie obronne składało się z trzech karabinów 7,7 mm. Maksymalny zasięg samolotu sięgnął 4380 km.
Kolejny G3M2, Model 22, wyposażony w był w dwa czternastocylindrowe silniki gwiazdowe Kinsei 45 o mocy 1075 KM (801,6 kW), zdolny był do rozwinięcia prędkości 347 km/h na wysokości 4200 metrów, zaś na pułapie praktycznym 9130 metrów miał zasięg 4380 km. Produkcja następnej wersji samolotu oznaczonej jako G3M3, została podjęta w zakładach Nakajimy, gdzie w latach 1941–1943 produkowano je z 1300-konnymi (969,4 kW) silnikami Kinsei 51. Samolot w tej odmianie zdolny był do osiągnięcia prędkości 415 km/h na wysokości 6000 metrów.