Первый полёт на прототипе был выполнен Валерием Чкаловым (лётчик-испытатель Государственного авиационного завода № 39) — 30 декабря 1933 года.
На Государственных испытаниях в феврале 1934 года двумя прототипами управляли лётчики Владимир Коккинаки и Василий Степанчонок. Лётчики давали отнюдь не лестные отзывы о самолёте, а после ознакомления с докладом лётчиков-испытателей Юмашева и Чернавского — Алкснис, специальным приказом позволил управлять И-16 только самым опытным лётчикам. После эксплуатационных испытаний в Крыму (Каче) самолёт был продемонстрирован широкой публике на первомайском параде.
1940 год — год самого массового выпуска — около 2710 машин. Этот самолёт дал начало проекту И-17 (проект заморожен) и перспективному И-180 — на котором в первом же испытательном полете погибнет Чкалов, а затем и лётчики-испытатели Степанченок и Сузи.
Описание bстребитель И-16 Основные материалы — дерево, алюминий, конструкционная сталь. Деревянный монококовый фюзеляж (обшивка из берёзового шпона) из двух половин, выклеивался из фанеры и на клею (костный или казеиновый) крепился к силовому каркасу (сосна или ясень) состоящему из 11 шпангоутов, 4 лонжеронов и 11 стрингеров. Каркас усиливался стальными уголками.
Центроплан включал в себя два наборных лонжерона соединенных между собой трубами. Обшивка центроплана спереди фанерная, позади дюралюминиевая.
Фанерная обшивка крыла обклеивалась полотном и затем многослойно покрывалась авиационным лаком. Силовой набор хвостового оперения (и элеронов) из дюралюминия. Обшивка органов управления полотняная. Опоры шасси убирались вручную посредством вращения штурвала лебедки (44 оборота).
Аэродинамическая схема — низконесущий моноплан. Шасси убирающиеся, с ручным приводом. Дополнительное оснащение: подвесные баки реактивные снаряды РС-82 авиабомбы
Основные модификации И-16 c М-22 (ЦКБ-12) Первый серийный И-16. Внешне отличался очень большим диаметром капота двигателя. Винт металлический без кока. Сдвижной фонарь (козырек) Вооружение два ШКАС вне диска винта с 900 патронов на каждый. За 1934-36 годы было выпущено несколько сотен экземпляров. Полетная масса серийных — 1345 кг. И-16 тип 4 (ЦКБ-12 бис) — двигатель М-25. Была поставлена (впервые) 8 мм бронеспинка сиденья летчика. Скорость достигала 455 км/ч на 4000 метрах. Более сложные в пилотировании, чем И-16 с М-22. Увеличился разбег. От сдвижного фонаря начиная с этой серии отказались по требованию летчиков. Выпускалась весь 1935 год вплоть до весны 1936 года (около 400 машин) . Не экспортировалась. И-16 тип 5 Внешние отличие от типа 4 — капот двигателя примыкал почти вплотную к фюзеляжу, на винте кок и храповик для запуска. Вооружение то же, но предусмотрена подвеска до 200 кг бомб. С июля 1935 в серии. В период 1935—1937 был самым массовым в серии. Применялся в Испании наряду с т.10. И-16 тип 6 — как тип 5, но с двигателем М-25А с 730 л.с. И-16 тип 10 — двигатель М-25В в 750 л.с., вооружение 4 ШКАСа из которых 2 синхронных под двигателем с 650 патронами на ствол. Полетная масса возросла до 1700 кг. В этом типе применялись убираемые лыжи прижимавшиеся почти вплотную к центроплану. Самолет строился в больших количествах И-16 тип 17 — модификация типа 10 с двигателем М-25В крыльевые ШКАСы заменены на ШВАК (по 150 снарядов на ствол) (на некоторых добавляли еще синхронный БС над или под двигателем). Визуальное отличие — хвостовой костыль заменен на хвостовое колесо с цельной резиной. Самолет строился в больших количествах. И-16 тип 18 — модификация типа 10 с двигателем М-62 с двухскоростным нагнетателем и с винтом ВИШ-6А (2 шага). Улучшилась продольная устойчивость на виражах и петлях самолет стал менее чувствителен к перетягиванию ручки на посадке. Вооружение 4 ШКАС с 3100 патронами. Идея возникла в действующих частях во время боевых действий на Халкин-Голе. Поступившие ремкомплекты для И-153 стали толчком для такой переделки. Самолёт показал хорошие лётные данные и после небольших модификаций был рекомендован в серию. И-16 тип 24 — модификация типов 10 и 18 с двигателями М-62 и М-63. Конструкция была местами усилена. Между лонжеронами была введена под полотном 3-мм фанерная обшивка что значительно уменьшило наблюдавшееся кручение крыла. Было введено 2 подвесных бака на 200 л (кроме основного на 254л) Винты: для М-62 — АВ-1, для М-63 — ВВ-1. Вооружение — 2 пулемёта ШКАС и 2 пушки ШВАК. Могли подвешивать до 6 РС-82. Бомбовая нагрузка — не более 500 кг. Масса достигала 2050 кг. И-16 типы 28, 29, 30 — как тип 24, но двигатель М-63 безредукторный — максимальная скорость (без подвески) — до 489 км/ч на высоте 5000 м. Всего всех типов было выпущено 10292 самолета (без выпуска за рубежом).
Тактико-технические характеристики И-16 приведены в таблице ниже
