Der Erstflug der Mitsubishi G3M erfolgte im Juli 1935. Der zweimotorige Bomber zeichnete sich durch eine extreme Reichweite von 4.075 Kilometern aus. Im Juni 1936 begann die Serienproduktion der G3M1.
Die Besatzung bestand aus fünf Mann.
1937 erhielten die Maschinen leistungsstärkere Triebwerke und die Reichweite konnte auf 4.400 km erhöht werden.
Während der Schlacht um Shanghai starteten 18 G3M2 von Taipeh und flogen zum 2.000 Kilometer entfernten Shanghai. Dies war der erste transozeanische Luftangriff der Geschichte.
Obwohl 1940 das Nachfolgemodell Mitsubishi G4M in Serienproduktion ging, wurde die Produktion der G3M2 bei Nakajima fortgesetzt. Dort entwickelte man 1941 die Version G3M3 mit erneut verbesserten Motoren. Die Reichweite wurde auf 6.230 km erweitert.
Den berühmtesten Einsatz hatte die G3M, als sie gemeinsam mit G4M am 10. Dezember 1941 bei Malaya die britische Force Z stellten und das Schlachtschiff HMS Prince of Wales sowie den Schlachtkreuzer HMS Repulse mit panzerbrechenden Bomben und Torpedos versenkten. Auch hier schrieb die G3M geschichte, da Prince of Wales und die Repulse waren die ersten Schlachtschiffe waren, welche ausschließlich durch einen Luftangriff auf offener See versenkt wurden.
Insgesamt wurden bis 1943 1048 G3Ms gebaut (636 von Mitsubishi und 412 von Nakajima). Mehrere davon wurden zu Transportflugzeugen umgebaut.
Die G3M blieb den ganzen Krieg über im Betrieb, obwohl 1943 die meisten nur noch als Reserve verwendet wurden.