三式戦闘機「飛燕」1型の生産が開始された頃、陸軍は性能向上機（キ-61-II）の設計試作を川崎航空機に指示した。川崎は1型同様に土井武夫技師（堀越二郎の東京帝国大学同期生）に設計主務をあて、昭和17年9月に設計。昭和18年8月に試作一号機を完成した。改造点は発動機をハ-140に換装。主翼面積を22㎡に増積。水平・垂直尾翼を改修や各部補強し、当時最高速の最大速度560km/hを目指した。空襲の中、昭和20年8月までに375機の機体が完成したが、エンジンの不良や生産が間に合わず、そのうち275機はハ-112空冷エンジンを装着して五式戦闘機（キ-100）に改造された。
この機体は陸軍航空審査部の所属機で終戦後、福生飛行場で米軍に接収された。その後、1953年に返還。（一財）日本航空協会に譲渡され、2015年から川崎重工業岐阜工場で復元が行われた。

左が三式戦闘機_飛燕、右が零式艦上戦闘機の操縦席計基盤（復元、中村泰三氏）、零式艦上戦闘機の計器配置は見やすく、飛行機の飛行姿勢を示す主要な計器が中央に集中している。一番上にあるのが八九式射爆照準器（光像式照準器）

水滴風防型。最初の検討ではファストバック型、解放風防型などがあったが最終的には視界視認性の良い水滴防風型となり、若干操縦席の位置が前寄りとなった。

超々ジュラルミン（ESD）採用。胴体は4種類の案が出されたが「胴体2」の案が採用となった。零式艦上戦闘機21型より352mm短い。色は空気抵抗を減らすための塗装。１号機、2号機のみに採用された灰緑色。

十二試は水平錐揉みを起こしやすいとされたため、2号機に応急的に鰭が追加されたが、垂直安定板の位置を後ろへ移動し、鰭はなくなった。

垂直安定板の取り付け位置をずらし、水平安定板と位置がずれたことで錐揉み癖が改善された。

二翅から後に三翅に変更される。2段恒速プロペラ、当初は付けられていない。

エンジンは空冷複列星型14気筒エンジン、瑞星（三菱製、A14）、3号機から栄12型（中島製）変更へ。エンジンの気化器吸気のためのカウリング内に取り入れ口が作られている。

潤滑油冷却装置は半埋め込みとなっている。後に冷却能力不足から下に突出する形に変更される。

排気管（エンジンカウルと胴体下部の接点付近）排気管形状不明のため再現されていない。

引き込み脚を採用。実物大模型では省略されている。

桁の結合部外鈑が取り外し式

引込み主脚部は実物大模型では省略されている。

全幅4600mmの左右一体型。

高速機の舵効きの調整を自動化するために操縦系統の剛性低下を行い最適化。突出マスバランス付

試作機のため、着艦フックは無い。

長く尖った形状。21型以降では短いものになった。