Как уже упоминалось, на Ki-27 устанавливалось только стандартное оборудование (если не считать радиостанции на некоторых Ki-27b). Хотя конструкторы рассматривали различные варианты усиления вооружения самолета и зашиты топливных баков и кабины (серийные машины не имели даже лобового бронестекла), опасность увеличения веса и, как следствие, падение летных характеристик препятствовали внедрению этих изменений. После начала боевых действий в Китае ВВС обнаружили, что их истребителям не хватает дальности, особенно при сопровождении бомбардировщиков. Чтобы решить эту проблему, в июле и августе 1940 года два серийных Ki-27b оснастили дополнительным топливным баком, который установили за сидением пилота. Модернизированные таким образом машины получили обозначение Ki-27 КАИ (Кью-нана-Сики Кайзо Сентоки, слово "Кайзо" имеет значение модификация). Летные испытания показали, что при полностью заправленном дополнительном топливном баке самолет имел чрезмерно заднюю центровку, что делало его крайне сложным, если не сказать опасным, в пилотировании. В конечном итоге от этой затеи отказались, решив проблему путем установки двух 133-литровых подвесных баков, что позволило увеличить дальность полета до 470 км.
Одни источники утверждают, что один из Ki-27 КАИ позднее использовался для испытаний нового типа щитков, а другой -для отработки убирающегося шасси - эти элементы использовались на новом истребителе Накадзимы Ki-43 "Хаябуса". Другие источники говорят о том, что обе новинки были испытаны вместе на одном из этих самолетов. Некоторые старые публикации описывают Ki-27 КАИ как облегченный вариант Ki-27, но не объясняют, как этот сверхлегкий истребитель можно сделать ещё легче. Трудно определить где правда, а где вымысел из-за отсутствия детальной информации - не сохранилось даже ни одной фотографии Ki-27 КАИ. В любом случае, работы над этой модификацией были прекращены уже после того, как Ki-43 был принят на вооружение ВВС.
