Спустя год, 20 сентября 1939 г., первый прототип выкатили из сборочного цеха. Наземные испытания, потребовавшие доводки силовой установки и системы шасси, провели в достаточно высоком темпе и уже 23 октября в 16:15 летчик-испытатель фирмы «Митсубиси» Катсуцо Шима впервые оторвал новый самолет от бетонной ВПП заводского аэродрома Кагамигара. Заводские испытания, продолжавшиеся почти до начала декабря, не выявили сколько-нибудь серьезных недостатков, за исключением ненадежной работы системы зажигания двигателей, потребовавшей минимальной регулировки, и недостаточной эффективности элеронов, которая вошла в норму после того, как их площадь была несколько увеличена.
24 января 1940 г. первый прототип передали авиации флота для проведения официальных испытаний. Военные, оценивавшие новый боевой самолет с точки зрения рядовых пилотов, посчитали, что машина склонна к рысканью на курсе, особенно на малой высоте, что могло серьезно затруднить точный выход в торпедную атаку по маневрирующей цели.
Строившийся следом второй прототип получил вертикальное оперение увеличенной площади, а все элероны на нем оснастили триммерами. 27 февраля эта машина была передана на заводские испытания продлившиеся около двух недель, после чего 15 марта 1940 г. самолет перегнали в Испытательный Центр авиации флота.
На этот раз моряки заявили, что самолет слишком вяло реагирует на отклонение руля направления. Площадь последнего снова уменьшили, хотя и не до исходной величины. Внесенные на этот раз изменения позволили продемонстрировать во всех отношениях превосходные характеристики управляемости. В ходе летных испытаний оба прототипа показали максимальную скорость со стандартной боевой нагрузкой (одна торпеда на внутренней подвеске) равную 428 км/ч. После ее сброса с половинной заправкой машина развила до 465 км/ч. Испытатели отметили, что даже при небольшом угле снижения в 2-3° самолет, легко разгоняется до 520 км/ч, что дает дополнительный шанс при уходе от истребителей. Дальность полета с нормальной боевой нагрузкой на наивыгоднейшем режиме работы моторов, составила 6034 км при крейсерской скорости 325 км/ч на высоте 4000 м.
Согласно оценке главного штаба флота характеристики нового самолета превосходили ожидаемые, поскольку, видимо, «в глубине души» адмиралам с самого начала было ясно, что обеспечить боевой радиус действия в 2000 миль с одновременным увеличением скорости полета едва ли удастся. Впрочем, как ни хорошо смотрелась машина в глазах японских флотоводцев, но перед принятием на вооружение требовалось провести войсковые испытания.
Казалось, что путь к производству нового бомбардировщика открыт, но в конце года экспериментальная авиагруппа «Йокосука» выпустила рекомендации на разработку тяжелого двухмоторного эскортного истребителя для сопровождения бомбардировщиков G3M во время налетов на глубинные районы Китая. Идея создать двухмоторный самолет с многочисленными огневыми точками была не нова и восходила еще к Первой Мировой войне. После ее окончания она получила широкое распространение в разных странах, но несмотря на свою внешнюю привлекательность нигде дальше создания опытных образцов не продвинулась.
Одной из причин этого являлось то, что в Европе был еще мир, позволявший военным не торопясь вырабатывать взгляды на роль и место в будущей войне различных образцов авиатехники. Япония же в это время воевала в Китае, где только недавно принятые на вооружение G3M горели как свечки в схватках с китайскими истребителями. И нет ничего удивительного, что после выхода документа, моментально образовалась небольшая, но крикливая группа офицеров флота, которая, находясь под впечатлением возможностей, продемонстрированных новым бомбардировщиком, вынудила(Н) командование авиации флота начать в спешном порядке адаптацию самолета к роли тяжелого истребителя сопровождения.
Любопытно, что сами разработчики весьма отрицательно отнеслись к этой идее, но использование такого весомого аргумента, как все возрастающие потери G3M в небе Китая, позволили преодолеть неприязненное отношение фирмы «Мицубиси» к этому проекту. В результате серийное производство бомбардировщика отложили с целью скорейшего создания эскортного истребителя, заранее получившего получившего обозначение G6M1.
Решение задачи по переделке базовой конструкции G4M взяла на себя группа инженеров флота. Основная задача свелась к перераспределению массы полезной нагрузки, которую теперь требовалось превратить в дополнительные огневые точки. Сразу же был переделан отсек вооружения, под которым появилась подфюзеляжная гондола с двумя 20-мм автоматическими пушками «Тип 99-1». Одна вела огонь по курсу, другая – назад. Пулеметы в боковых блистерах были заменены на все те же 20-мм пушки, а экипаж увеличился до 10 человек.