在二战爆发前，英美等国为了保卫海上交通线，设计了能进行长距离、长航时巡逻飞行的大型水上飞机，如着名的美国PBY“卡特琳娜”和英国的“桑德兰”式大型水上飞机。在二战中，盟军的大型水上飞机表现十分活跃，特别是在航空反潜方面，“卡特琳娜”和“桑德兰”都取得了十分不错的成绩。

　　而同期的日本海军，也注意到了大型水上飞机（日方称“大型飞行艇”）的应用潜力，从30年代开始就着手进行军用飞行艇的研究开发。但在当时的日本海军设想中，飞行艇并不是主要用来反潜，而是携带炸弹和鱼雷对美军舰队进行攻击。1936年，海军委托川西航空机公司开发的九试大型飞行艇试飞成功，1938年正式服役，海军赋予其型号“九七式飞行艇”

　　九七式大艇拥有超大的航程（4940公里，只进行侦察任务时可达6771公里）和一定程度的自卫火力（4艇7.7毫米机枪和一挺20毫米机炮），武器挂载可选择挂载2枚航空鱼雷或者12枚60kg炸弹或4枚250kg炸弹。太平洋战争爆发后，九七式大艇活跃在南太平洋战线上，攻击盟军的机场等军用设施，其中在1941年12月31日，东港航空队所属的6架九七大艇在攻击荷兰海军水上飞机母舰“赫伦”号时水平轰炸失利，负责对其进行鱼雷攻击的一架九七大艇被当场击落，暴露了九七大艇其实并不擅长反舰作战的情况。由于缺乏防弹装备及其他防护设施，以及飞机本身体积太大，九七大艇在战争中经常成为盟军战斗机的好猎物，开战一年后损失急剧上升，后期被迫调至二线承担反潜和侦察任务。

　　时间回到1938年，当时日本海军刚刚服役九七大艇不久，由于同年英军的“桑德兰”水上飞机也进入服役，日本海军在经过评估后认为“桑德兰”的整体技术水平要高于自己的九七大艇，于是萌生了参照“桑德兰”开发新式飞行艇的计划。而且，当时日本海军上层认为，为了改变自己在航空战力方面的劣势，有必要开发新式大型陆攻（四发远程轰炸机）和大型飞行艇用于远距离奔袭轰炸作战，以达成作战的突然性，取得先发优势。于是，在1938年4月18日，海军航空本部技术部正式发表了《十三年度试製飞行机计画要求案摘要》，提出了研制十三试大型陆上攻击机（深山）和十三试大型飞行艇的计划要求。

　　为了完成研制任务，川西公司让刚刚完成九七大艇研制设计任务、在飞行艇设计方面造诣颇深的设计师菊原静男负责主持十三试飞行艇的设计工作。（此人战后还参与了日本PS-1飞行艇和YS-11客机的开发）

　　与九七大艇相比，重点参考“桑德兰”的十三试飞行艇的机身显得短而粗，这显着提升了二式大艇在降落着水时的机身稳定性。同时相对平整的机身还相对于九七大艇减少了10%左右的空气阻力，这对提升飞行航程和速度都有着相当的帮助。

　　在自卫火力上，二式大艇相对于九七式大艇有明显的提升：5门20毫米机炮和7艇7.7毫米机枪让二式大艇拥有了相当强大的自卫火力。同时飞机上的14个燃料箱都装备了防弹板，极大提升了飞行的生存性能。在战争中，美军飞行员经常报告二式大艇比一般的日本飞机要更难击落，因为这玩意难以接近，对其机身开火也很难造成什么损伤，只有从其上方重点攻击飞机发动机才能击落它。

　　比较有趣的是，由于当时日本的飞机防水涂料质量不过关，二式大艇在着水后经常发生漏水，每次降落后机组成员总要拿着个水桶把艇底漏进的水给舀出去。

　　1941年3月26日，十三试飞行艇试作1号机完成，1942年2月5日，正式加入海军服役，命名为二式大艇11型，编号H8K1。在二式大艇初次执行作战任务时，由于前线部队不熟悉这种飞行，还将其误认成了美军的B-24“解放者”四发重型轰炸机，造成了一些误伤事件。

　　1942年3月4日，海军发起“K作战”，由3架二式大艇对珍珠港进行轰炸，但没有取得战果。在同年3月7日对中途岛的长距离侦察中，原来的K作战大艇队指挥官桥爪寿雄大尉的座机遭遇了美军的F4F战斗机的拦截后被击落，这是日军损失的首架二式大艇。

　　在南太平洋战线上，二式大艇十分活跃，曾经执行了对澳大利亚本土北部达尔文港地区的侦察，以及对锡兰岛和加尔各答等地的长距离侦察。此外，第802航空队的二式大艇被配属给了飞行艇母舰“秋津洲号，在所罗门群岛附近为日军舰队提供航空侦察。

　　1943年11月，一架日军的二式大艇遭遇了美军P-38战斗机的攻击，在长达40分钟的空战中，美机共击中大艇230次，但除了一名机组成员受伤外，飞机本身并没有遭受致命损伤，在击退美机后这架二式大艇自行返回了本土基地，显示了二式大艇强大的生存性能。此外，二式大艇在遭遇盟军重型轰炸机时，也经常运用机上的20毫米机炮追着轰炸机打，B-25、B-17等美军主力轰炸机都有被其击落的记录，二式大艇也因此被称为“航空战舰”。

　　在南太平洋上进行反潜巡逻飞行的851空的二式大艇一二型，其装备有H-6型机载雷达，拥有在4000米高度探知280公里范围内的水面舰艇的能力，在夜间巡逻飞行时有很大帮助

　　为了运输人员物资，海军还要求川西对二式大艇进行改造，这种改造运输型被称为“晴空”三二型（H8K2-L），共生产了36架。在1944年3月31日发生的“海军乙事件”中（甲事件是山本长官战死），时任联合舰队司令长官的古贺峰一大将认为美军即将接近，紧急欲将位于帕劳群岛的司令部后撤至菲律宾，与福留繁参谋长分别乘坐二式飞行输送艇”晴空“离开帕劳群岛，在飞行途中遭遇台风后，古贺大将乘坐的二式大艇就此失踪，而福留繁的座机则迫降在菲律宾宿雾群岛，后被菲律宾游击队俘虏，但不久又被交还给日军。

　　太平洋战争进行到后期，随着美军新锐战斗机数量的不断增加，日军逐渐丧失了在南太平洋上空的制空权，此时在南洋执行侦察任务的二式大艇在遭遇美军战斗机群时，纵使自卫火力再强大、防御再坚固，也不能从美军战斗机的手中逃脱了，在美军战斗机和PB4Y巡逻机的联合绞杀下，装备二式大艇的前线侦察部队损失惨重，其在南洋各岛屿上的驻扎基地也随着美军的登陆而被摧毁，在美军的照片中能见到不少二式大艇残骸的照片。

　　在海上自卫队鹿屋航空基地资料馆保存的一架二式大艇，该机缘由美军测试后保存在美国，后由于保管经费削减，再加上日方长期申请，这架二式大艇于1979年被返还给日本

　　战后的川西公司改名为“新明和工业”，继续为日本海自研制生产水上飞机，目前其研制的US-2型海上巡逻机是如今世界上技术较为先进的大型水上巡逻机之一