Несмотря на то, что прототипы Н8К1 недобирали до требуемой скорости примерно 10 км/ч, Главное бюро морской авиации признало самолет отвечающим требованиям и 5 февраля 1942 г. его приняли на вооружение под обозначением «Ни-Сики Хикотей 11-Гата» («летающая лодка тип 2 модель 11»), или же Н8К1. В системе кодов союзников машина получила название «Эмили». Практически сразу же начался выпуск серийных гидропланов, но его темп был невысок—за 1942 финансовый год (начинался 1 апреля) было изготовлено лишь 12 Н8К1. Серийные машины несколько отличались от прототипов. Их двигатели «Касей» 12 оборудовались не выхлопными коллекторами, а индивидуальными патрубками для каждого цилиндра. Под хвостовой частью лодки, за вторым реданом, появился небольшой дополнительный киль, улучшающий устойчивость при разбеге. Состав оборонительного вооружения был ослаблен — 20-мм пушки остались только в верхней и хвостовой установках, а на остальных позициях устанавливались 7,7-мм пулеметы.
В 1942 г. фирма «Мицубиси» начала производство двигателей «Касей» серии 20, снабженных системой впрыска водно-метаноловой смеси. Такими моторами решили оснастить и летающие лодки. Для испытаний послужил первый прототип Н8К1, на который установили моторы MK4Q «Касей» 22, развивавшие взлетную мощность 1850 л.с. и максимальную 1680 л.с. на высоте 2200 м и 1540 л.с. — на 5500 м. Два 250-л бака для водно-метаноловой смеси установили в носках крыла, снаружи от внешних двигателей. Испытания прошли вполне успешно, и моторы «Касей» 22 были приняты для новой модификации летающей лодки, получившей индекс Н8К2.
Увеличенная на 20% мощность силовой установки позволила увеличить взлетную массу машины и внести в её конструкцию ряд важных усовершенствований, направленных, прежде всего, на повышение боевой живучести.
Кресла пилотов и борта фюзеляжа в районе носовой стрелковой установки были защищены листами брони толщиной 6 мм. Крыльевые топливные баки увеличили (общий максимальный запас топлива возрос до 18 880 л) и защищены протектором из двух слоев резины общей толщиной около 40 мм. Вместо носовой поворотной башенки была применена новая стрелковая установка с ручным наведением, но более совершенной аэродинамической формы. Стандартный состав оборонительного вооружения включал три 20-мм пушки (в носовой, верхней и хвостовой установках) и два 7,7-мм пулемета (в бортовых установках), плюс два-три таких же переносных пулемета. Но некоторые серийные Н8К2 получили в боковых установка 20-мм пушки — тем самым состав их оборонительного вооружения был доведен до предусмотренного заданием (и опробованного на прототипах).
Серийное производство Н8К2 осуществлялось на новом предприятии «Каваниси» в г. Конан. Первый экземпляр выпустили в феврале 1943 г., но на вооружение новую модификацию официально приняли только 26 июня 1943 г., присвоив наименование «Ни-Сики Хикотей 12-Гата» («летающая лодка тип 2 модель 12»). Согласно японским данным, в 1943 финансовом году построили 78 гидросамолетов Н8К2, в 1944-м — 33, а в 1945-м — один. Таким образом, было выпущено в общей сложности 112 экземпляров Н8К2, что составили 2/3 от общего производства летающих лодок этого типа (167 единиц включая прототипы).
Гидросамолеты Н8К2 поздних выпусков (со второй половины 1944 г.) получили измененные боковые стрелковые установки — прямоугольные окна вместо каплевидных обтекателей. Часть машин оборудовалась радарами «З-Сики Ку 6-го Мусен Денсин-ки 4-Гата» («Устройство радио тип 3 Ку образец 6 модель 4», или же попросту Н-6). РЛС комплектовалась антеннами типа «Яги» (получившими свое название от фамилии японского профессора, разработавшего их), установленными в носовой части фюзеляжа. Передающая антенна находилась спереди, приемные — по бокам. С высоты 4000 м радар мог обнаруживать крупные надводные корабли на расстоянии до 280 км. Установка РЛС позволила вести разведку ночью, что существенно снижало уязвимость громоздких летающих лодок от вражеских истребителей.
Ещё в начале проектирования новой летающей лодки конструкторы фирмы «Каваниси» рассматривали возможность применения убираемых подкрыльевых поплавков. Это позволило бы снизить аэродинамическое сопротивление и улучшить летные данные. «Источником вдохновения» служила американская пассажирская летающая лодка «Дуглас» DF, оборудованная складывающимися поплавками. В 1936-1937 гг. два таких самолета были куплены авиакомпанией «Дай Ниппон Коку К.К.» и переданы для испытаний авиации Императорского флота. Машины получили обозначение «Сисаку D-Гата Хикотей» — «опытная летающая лодка тип D», или же HXD1 и HXD2. Один экземпляр был в 1938 г. передан фирме «Каваниси», где разобран буквально до винтиков с целью изучения примененных в нем передовых технических решений. Однако, в конце концов, от применения убираемых поплавков на Н8К1 отказались, стремясь избежать усложнения конструкции и увеличения массы машины.