1939年（昭和14年）にはエンジンの強化を中心とした性能向上型の開発が指示され、1940年（昭和15年）12月に試作機が完成した。主な変更点はエンジンを1,450馬力のハ101に換装したことと、主輪の完全引込脚化、武装・防御装備の強化であった。審査の結果大幅な性能向上が認められたため、1940年12月に九七式重爆撃機二型（キ21-II）として制式採用になった。この型は1944年（昭和19年）9月まで生産され、太平洋戦争中の主力型となった。
全幅： 22.50 m 全長： 16.02 m 全高： 4.35 m 主翼面積： 69.60 m? 自重： 6,070 kg 全備重量： 10,610 kg 乗員： 7 名 最高速度： 478 km/h
巡航速度： 380 km/h 航続距離： 2,400 km 発動機： 三菱ハ101・1500 hp ×2 武装： 7.7 mm機関銃 ×5（前方 1、後下方 1、後側方 2、尾部 1）、12.7 mm機関砲 ×1（後上方） 爆弾： 750 - 1000 kg
