三式戦闘機二型がエンジン未装備（液冷エンジンの生産が遅滞していた為）の「首無し」状態で最高230機ほど工場内外に並ぶという異常事態となったため、三菱重工の空冷エンジン「ハ112-II」（百式司偵三型搭載、海軍名「金星62型」）に換装したもの。エンジン換装による排気管周りの空力処理についてはドイツのフォッケウルフFw190からヒントを得た。なおFw190は一機のみ日本に輸入されていた。三式戦闘機エンジンなどのお手本となったメッサーシュミットBf109も三機輸入された。いずれも国産機との比較のための試験機として輸入された。

生産されたのは一型のみである。ターボチャージャー（排気タービン過給機）付きエンジン｢ハ-112IIル」（百式司偵四型搭載エンジン）を搭載して高高度性能を増した二型を試作し試験飛行にも成功したが、度重なる空襲、さらに1944年に名古屋地区を襲った地震によるエンジン供給ストップと不運が続いて、そのまま終戦を迎えたため3機の試作だけで終わった。

総生産数393機。

性能

液冷のための補機類と、バランスをとるためのバラストが無くなったために三式戦闘機に比べ330kgは軽量化、これにより運動性能が大幅に改善され、三式戦闘機の最大の弱点であった上昇力が良好なものになった。さらに、三式戦闘機譲りの機体の頑強さと、それによる卓越した急降下性能も特筆される。そして軽量化による翼面荷重の軽減と、三式戦特有の高アスペクト比主翼により高高度性能も改善が見られた。（元々三式戦は試作機の段階では非常に素性の良い機体であった。）

空冷エンジンは液冷エンジンよりも前方投影面積が大きいために空気抵抗が増え、最高速度は三式戦二型の610km/hを下回る580km/hとなってしまったが、二型は部隊配備が進まず前線で戦っていた一型丁の560km/hと比べれば向上している。そして巡航速度では一型から50～60km/hほど向上したといわれる。

エンジンの離昇出力は四式戦闘機には及ばず、また上昇力も四式戦を下回っていた。しかしエンジンの信頼性の問題が大戦末期としては奇跡的に少なかったことから、本機に搭乗したパイロットは、四式戦よりも本機を高く評価することが多い。当時の日本軍の主力エンジンであった誉(エンジン)はスペックの額面割れが恒常化し、整備兵の練度低下と部品の精度の不安定さもあり、稼働率が二割を切る部隊も当たり前であったので、部品さえあれば、安定したスペックを発揮し、手慣れたエンジンの改良型を積む分、(他機種に比して)安定した稼働率がどんなに素人の整備兵でも確保できた本機は絶大な人気を誇った。

武装

基本的には三式戦闘機二型と同じく、ホ5型20mm機関砲2門（機首に装備）とホ103型12.7㎜機関砲2門（主翼に装備）であるが、所属部隊によっては主翼の12.7㎜機関砲を外すこともあった（高高度性能を上げるため）。他に主翼下に250kgまでの各種爆弾を左右1発ずつ搭載することが可能で、当時の日本陸軍機としては標準的な武装を装備する。

活躍

1945年3月ごろから部隊配属が始まり、三式戦を装備する部隊に優先的に配備された。本土に飛来するB-29やP-51をはじめとする米軍機を相手に少なくない戦果を上げており、五式戦はその場しのぎの改設計で生まれた機体であるにもかかわらず、そこそこの結果を残した。

部隊での運用や鹵獲機による模擬空戦の結果によれば、五式戦は三式戦及び四式戦に対して旋回、上昇などで上回り、またP-51と互角に戦える性能を持っていたという。そして三式戦では一度攻撃をかけるのが精一杯だった高高度のB-29に対しても、降下時のみならず、そこから上昇し二撃目を加え撃墜することもできたという。

上述のように実戦部隊からの評価は高く、戦争末期の士気高揚に貢献した。陸軍大臣阿南惟幾から感謝状が贈られるなど、上層部もこれを積極的にアピールした。

評価が高い理由としては、ガラスの心臓と揶揄された三式戦、粗製乱造の機体が多い四式戦と比べ、整備性や信頼性が良好。従来までの軽戦闘機に近い機動性を持ちながら、日本軍機としてはかなりの加速力と速力を得たことで、ベテラン搭乗員にも扱いやすかったことなどが上げられる。「義足のエース」として著名な檜與平少佐は「キ100は稀代の名機であり、高速度かつ旋回性が良いため無理をしない限り絶対に落とされる機体ではない、せめて半年前にこの機体が出来ていれば戦局も変わっていたのではないか」と述べ、第244戦隊長小林照彦少佐などは「五式戦をもってすれば絶対不敗」とまで言ったという。

しかし、本機をP-51やP-47など700㎞/h以上の高速を誇る連合軍機、あるいは四式戦闘機、紫電改などと比べた場合、とても高性能機とは言えない。尾輪の格納すらしない、重量過多の旧式設計なのだ。(ただし、尾翼収納機構を持つ日本機は多くないし、重い分機体強度が高く、米軍機を振り切るほどの高速急降下をしても耐えられた)

ただし、当時の日本軍のベテラン搭乗員の手にかかれば、スペック上の速度差はどうということはないものだったという(機体の性能差が勝敗の決定要素ではないのだ。例えばF4Uは五式戦より遥かに優速であったが、機体の軽さを活かした加速力と三式戦譲りの急降下性能で充分に対抗出来た。)

上記の高評価も、軽戦指向から脱却できず、また他国の航空技術の実態を知らない日本軍パイロットによるものであること、鈍重な三式戦闘機に慣れた視点から見た五式戦闘機、というものであることには留意されたい。

実際、回想の中で好評を博し四式戦を上回るとされた上昇力は、現実には良くて同等、ほぼ劣る数値なのである（四式戦の舵の重さから錯覚した可能性がある）。

（四式戦：5,000 mまで5分弱・五式戦：5,000mまで6分。とはいえ、五式戦デビュー時には日本の工業力は絶望的な状況であり、金星よりパワーが出ていない誉もザラにあっただろう。）

五式戦闘機二型

五式戦闘機二型は、発動機ハ112にターボ過給器（排気タービン）を追加した「ハ112-IIル」を搭載し高高度性能を改善した機体である。

ハ112-IIルはハ112のエンジン本体に排気タービンを追加しただけのものであり、スペックは原型のハ112と同じであるが、高度10,000m以上でも1,200馬力以上を発揮できた。

実用化されれば、日本陸軍で唯一の排気タービン装備の実用単発戦闘機となっていたであろう本機であるが、エンジントラブルは少なく、担当の一人である航空審査部の名取少佐は、何分1機を審査したのみであるので正確な稼働率はわからないにせよ、手応えは相当によかったと回想している。

1945年9月から量産が予定されていたが、終戦のため試作機3機の生産に終わった。

米国の評価

戦中はその存在自体認識されていない。

戦後のレポートによれば性能や構造で特に興味を引かれる部分は無く、飛行テストすら行われず廃棄されたようである。

現存機

世界唯一の現存機（一型）が英国空軍博物館ロンドン館に保存展示されていたが、2012年1月から同博物館のコスフォード館で展示されている。保存状態も良好で、オリジナルのエンジン（ハ112-II）が起動できるほどである。この機は愛知県小牧を出発しシンガポールへ輸送の途中、カンボジアで終戦を迎え、サイゴンでイギリス軍に接収された物である。なお、この機は水滴型風防を備えた一型の後期タイプ。

（なお、この個体には「ありものを利用した応急策ではあるが、時にはそれが最適解の一つである」という英国紳士らしい説明文が添えられているとか。）

余談

本機は終戦直前に登場した機体であるが、原型は三式戦であり1942年には完成している。

これを理由に「三式戦（液冷エンジン）なんか作らず最初から五式戦（空冷エンジン）を作ればよかった」という意見もある。

しかし本機の性能は、1500馬力の大直径空冷エンジンを、細身の機体に積んだことによる段差解消のための排気管周りの空力処理によるところが大きい。1942年の金星エンジンはいいところ1200馬力しかなく、開発者自身も「最初から五式戦のような性能要求で開発したらもっとずんぐりむっくりな機体になった」と証言しており、史実より数年早く（史実と同様の仕様で）五式戦が登場した可能性は無い。