Het eerste prototype, aangedreven door een 750 pk (560 kW) Nakajima Ha-8 radiaal motor, vloog voor het eerst in mei 1936. De testvluchten waren een groot succes en het toestel voldeed eenvoudig aan alle vereisten. De snelheid die werd bereikt was maar liefst 481 km/u. Het toestel werd door de Japanse Keizerlijke Landmacht besteld als Leger Type 97 Verkenningsvliegtuig Model 1. Een jaar na de eerste vlucht van het eerste prototype, in mei 1937 werden de eerste van uiteindelijk 437 toestellen afgeleverd.^[1]

Vanwege de relatief hoge snelheid voor een toestel met een zwakke motor en vast landingsgestel, werd een tweede, civiele prototype gebouwd. Dit toestel werd gekocht door de Japanse krant Asahi Shimbun en kreeg de fabrieksaanduiding Mitsubishi Karigane I. Het toestel vloog voor het eerst op 19 maart 1937 met de naam Kamikaze en de civiele registratie J-BAAI. Het toestel vloog hierna met een nieuwe wereldrecordtijd van 51 uur, 17 minuten en 23 seconden tussen 6 april 1937 en 9 april 1937 van Tokyo naar Londen voor de kroning van King George VI.^[3]

Het tweede prototype zou later weer in dienst van het Japanse leger komen. Door het succes van de recordvlucht werd echter een aantal Mitsubishi Karigane I toestellen aan civiele klanten verkocht. Een ander bekend toestel was de "Asakaze" met civiele registratie J-BAAL, eveneens eigendom van de krant Asahi Shimbun

De eerste produktieversie onder de naam Leger Type 97 Verkenningsvliegtuig Model 1, werd uitgevoerd met een 640 pk Nakajima Ha-8 motor. Het toestel werd als lichte aanvalsbommenwerper en als verkenningsvliegtuig ingezet. Vooral in de eerste rol was het een redelijk succesvol type tijdens de beginperiode van de 2e Chinees-Japanse oorlog (1937-1945). Na 1941 was het toestel echter te langzaam om nog op tijd weg te kunnen komen en werd het alleen nog maar ingezet voor verkenningsdoeleinden. Ook hierin bleek het echter al snel tekort te komen en was men blij over een nieuwe versie te kunnen beschikken.^[4]

In mei 1938 vloog het eerste exemplaar van de verbeterde versie van de Ki-15 als Leger Type 97 Verkenner Model 2, aangedreven door een 800 pk (671 kW) Mitsubishi Ha-26-I motor. Ook dit toestel werd tweeledig ingezet, als lichte aanvalsbommenwerper en als verkenner.^[4]

Beide Ki-15 typen waren redelijk succesvol tot in 1942. Ze hebben dienst gedaan op nagenoeg alle fronten in de Pacific en in China. Alle luchtbrigades hadden wel een aantal toestellen als verkenner in dienst. Vanaf 1943 werden de toestellen uit de frontlinie teruggetrokken en nog alleen ingezet als trainer en verbindingsvliegtuig. Aan het einde van de Tweede Wereldoorlog werden nog verscheidene exemplaren ingezet als kamikazevliegtuig.

Ter vervanging werd getracht een nieuwe versie te ontwikkelen, de Ki-15-III. Toen het prototype klaar was heeft men de verdere ontwikkeling stopgezet, ten gunste van de nieuwere Mitsubishi Ki-46.

Van de Mitsubishi Ki-15-II werd ook een marine variant geproduceerd om dienst te doen als maritieme verkenner bij de aan land gestationeerde marine-eskaders. De eerste versie werd in 1938 geproduceerd als Marine Type 98 Verkenner Model 1 en was uitgerust met een Mitsubishi Zuisei motor met een vermogen van 780 pk.

In 1940 verscheen een verbeterde versie als C5M2 (Marine type 98 Verkenner Model 2) met een Nakajima Sakae 12 motor met een vermogen van 940 pk (708 kW). Ook deze versie werd veelvuldig ingezet, echter door de marine voornamelijk als verkenner, maar ook als bevelsvliegtuig.

Op 8 december 1941 was het een C5M2 die het Britse smaldeel bij Maleisië ontdekte dat zou leiden tot de vernietiging van Force Z. Het was ook een Mitsubishi C5M2 welke op 3 maart 1942 de negen Mitsubishi A6M2 Model 21 Zero jachtvliegtuigen als bevelsvliegtuig begeleidde bij de Japanse luchtaanval op Broome.