Latem 1932 r. Nikołaj Nikołajewicz Polikarpow zaczął pracować w CKB nad dolnopłatem myśliwskim z chowanym podwoziem. Niemal jednocześnie powstawały dwa projekty: I-16 z silnikiem gwiazdowym i I-17 z silnikiem rzędowym. Obydwa projekty zostały zrealizowane, ale tylko pierwszy był produkowany seryjnie. I-16 miał być samolotem małym, miał być napędzany silnikiem Wright ”Cyclone” oraz miał być wyposażony w chowane podwozie i zakrytą kabiną. Pierwszy projekt był już gotowy w kwietniu 1933 r. W lipcu był gotowy drugi wariant ze zmienionym kadłubem. W październiku 1933 r. został zatwierdzony projekt samolotu a w końcu listopada była gotowa jego makieta. Ponieważ zakup silnika ”Cyclone” opóźniał się, polecono Polikarpowowi dostosowanie projektu do silnika M-22, czyli licencyjnego Gnomę-Rhône ”Jupiter”. Ostatecznie miały powstać dwa prototypy, jeden z silnikiem M-22 i drugi z ”Cyclone F-3”. Jeszcze przed ukończeniem prototypów, 22.11.1933 r. zapadła decyzja o podjęciu produkcji seryjnej.

Obydwa budowane prototypy były nieomal identyczne. Ponieważ pierwsze próby prototypów miały odbywać się w warunkach zimy zamiast chowanego podwozia z kołami zastosowano stałe płozy. Pierwszy prototyp z silnikiem M-22, oznaczony jako CKB-12 został oblatany 30.12.1933 r. W styczniu 1934 r. oblatano także drugi prototyp z ”Cyclone F-3” oznaczony jako CKB-12bis. Obydwa prototypy przechodziły w styczniu 1934 r. próby fabryczne, a w lutym rozpoczęto próby państwowe. Choć próby prowadzono ze stałym podwoziem płozowym to osiągi nie były najgorsze. W czasie prób ujawniły się pewne wady. W lutym prototypy otrzymały chowane podwozie kołowe. W marcu rozpoczął próby pierwszy prototyp. Samolot uzyskał ze schowanym podwoziem prędkość maksymalną nad ziemią 359 km/h. W kwietniu 1934 r. został uszkodzony CKB-12bis i wrócił do producenta.

Latem 1934 r. zbudowano trzeci prototyp z silnikiem ”Cyclone F-3”. Został przekazany do prób 7.09.1934 r. W czasie prób osiągnięto prędkość maksymalną 437 km/h. Lotnictwo zaczęło domagać się jeszcze większej prędkości w granicach 470 km/h i zaproponowało zastosowanie silnika M-58 o mniejszych rozmiarach niż ”Cyclone”. Wersja taka jednak nie powstała.

Na początku 1934 r. rozpoczęto przygotowania do produkcji seryjnej I-16 typ 1 z silnikiem M-22. Początkowo samolot miała produkować wytwórnia nr 39, w której powstały prototypy i dokumentacja samolotu. Plan przewidywał zbudowanie w 1934 r. 50 samolotów. Uzbrojenie składało się z dwóch skrzydłowych kaemów SzKAS kal. 7,62 mm. Do 1936 r. w wytwórni nr 39 zbudowano 58 egz. Wśród nich znajdowały się też konstrukcje doświadczalne Polikarpowa i specjalna seria pięciu I-16 przeznaczonych do grupowej akrobacji. W 1934 r. z wytwórni nr 39 przekazano do wytwórni nr 21 w Niżnym Nowogrodzie dokumentację samolotu. Plan na 1934 r. przewidywał zbudowanie 250 samolotów, ale nie ukończono ani jednego. Dopiero w 1935 r. zbudowano ok 350 egz. Samolot otrzymał oznaczenie I-16 typ 4. Od sierpniu 1935 r. pierwsze samoloty przechodziły próby w 107 pułku brygady lotniczej w Briańsku. Wiele maszyn I-16 typ 4 posłużyło do celów badawczych. Jeden z samolotów, w czerwcu 1936 r., posłużył do prób tankowania w locie. Przeprowadzono też próby ze składanymi płozami. W lutym 1936 r. zostały przebudowane dwa samoloty. Próby przebiegały pomyślnie, jednak składane płozy zastosowano w I-16 dopiero po 1938 r.

W 1934 r. powstała wersja CKB-15 wyposażona w silnik rzędowy Hispano-Suiza 12YBRS o mocy 559 kW (760 KM). Konstrukcja jak w CKB-12. Uzbrojenie: 2 karabiny maszynowe SzKAS lub dzłałka SzWAK. W wyniku prac rozwojowych prowadzonych w latach 1934-1935, zbudowano prototypy różniące się głównie układem chłodzenia. Wersje te nosiły o znaczenia: CKB-19 (I-17), CKB-33. W stadium projektowania pozostały wersje z silnikami Gnôme-Rhône 14 Krsd (CKB-25) oraz Hispano-Suiza 12 Yers (CKB-43).

Ponieważ pilotaż I-16 wymagał od pilota nowych nawyków zaistniała potrzeba zbudowania treningowej wersji dwumiejscowej. W 1935 r. powstał samolot szkolno-treningowy Polikarpow UTI-2. Również w 1935 r. prototyp szturmowej wersji samolotu CKB-12 oznaczony CKB-18. Posiadał silnik M-22. Samolot ten, jako pierwszy w ZSRR miał całkowicie opancerzoną kabinę pilota. Uzbrojenie składało się z 4 karabinów maszynowych SzKAS lub PW-1 kal. 7,62 mm oraz 100 kg bomb. Samolot nie był produkowany seryjnie.

W ZSRR, w 1935 r., rozpoczęto produkcję silników Wright ”Cyclone F-3” pod oznaczeniem M-25. Pierwsze silniki zamontowano we wspomnianej piątce I-16 przeznaczonych do grupowej akrobacji. Prototyp wersji seryjnej, zbudowany 25.04.1935 r., osiągnął prędkość max. 456 km/h. Nowa wersja, oznaczona I-16 typ 5, otrzymała też dopracowane uzbrojenie. Na Międzynarodowym Salonie Lotniczym w Mediolanie (12-28.10.1935 r.) pokazano I-16. Samolot był wystawiony jako sportowy ASB o prędkości max. 467 km/h. Eksponat ten nie spotkał się z dużym zainteresowaniem. Próby samolotu wypadły pomyślnie. Produkcja seryjna ruszyła w końcu 1935 r. w wytwórni nr 21. W celu produkcji samolotów I-16, w 1936 r. powstała w Nowosybirsku wytwórnia nr 153. Pierwsze samoloty wyprodukowano tam w 1937 r. I-16 typ 5 był najliczniejszą i najdłużej budowaną wersją bojową I-16, zbudowano 2898 egz.Od 1938 r. zrezygnowano z ruchomej osłony kabiny i zastąpiono ją stałym wiatrochronem, typ 5 upodobnił się do późniejszych wersji i był błędnie określony jako I-16 typ 6.

Na bazie samolotu I-16 typu 5 powstał samolot szkolno-treningowy Polikarpow UTI-4.

W 1937 r. w wytwórni nr 21 grupa inżynierów kierowana przez Borowkowa opracowała możliwości instalacji synchronizowanego karabinu maszynowego SzKAS w dolnej części kadłuba. Pod oznaczeniem I-16 typ 6 przebudowano, oprócz prototypu, 30 samolotów. Zostały wysłane do Hiszpanii, gdzie dotarły w maju i czerwcu 1937 r. Według źródeł hiszpańskich łącznie zbudowano 68 egz.Z typem 6 często jest mylony późniejszy I-16 typ 5, jednak poza Hiszpanią wersja ta nie była używana.

W kwietniu 1936 r. Polikarpow w wytwórni nr 39 opracował projekt CKB-12P uzbrojony w 2 działka SzWAK kal. 20 mm umieszczone w miejscu skrzydłowych SzKASów i dwa SzKASy kal. 7,62 mm w zewnętrznych częściach płata. Samolot noszący później oznaczenie I-16P przechodził próby między lipcem a wrześniem 1936 r. W roku następnym w wytwórni nr 21 rozpoczęto produkcję seryjną pod oznaczeniem I-16 typ 12.

W końcu 1937 r. Borowkow opracował wersję szturmową oznaczoną jako I-16 typ 9. Samolot ten w centropłacie miał 6 karabinów maszynowych SzKAS oraz stałe podwozie. Zainstalowano zamki dla sześciu bomb po 25 kg. Samolot został oblatany 27.12.1937 r. mimo, że przeszedł pomyślnie próby fabryczne decyzji o produkcji seryjnej nie podjęto. W 1939 r. przechodził próby samolot I-16P.S.. Byt to samolot typu 5 uzbrojony w dwa kadłubowe synchronizowane działka SzWAK. Jednak gazy prochowe przedostające się do kabiny i chwytu powietrza do gaźnika uniemożliwiały normalną eksploatację takiego rozwiązania. Na początku 1937 r. rozpoczęto próby uzbrojenia bombowego na I-16 typ 5. Samolot mógł zabrać 280 kg bomb. Pod każdym skrzydłem znajdowały się cztery zamki DER-32 dla bomb odłamkowych AD-10 i jeden zamek DER-3 dla bomby burzącej FAB-100. Próby tak uzbrojonego samolotu przeprowadzono zimą 1937 r. Produkcji seryjnej wersji myśliwsko-bombowej nie podjęto.

W wytwórni nr 156, gdzie pracował Polikarpow końcu lat 30-tych, badano możliwości wykorzystania na I-16 turbosprężarek. Rozwiązanie to miało poprawić osiągi samolotu, a szczególnie zwiększyć pułap użyteczny. Do prób turbosprężarki przebudowano kilka I-16, w tym co najmniej jeden samolot I-16 typ 5. Płatowiec otrzymał silnik M-62, za silnikiem umieszczono dwie turbosprężarki TK-1. Pierwsze próby w locie I-16W z silnikiem M-25A przeprowadzono w drugiej połowie 1938 r. Próby wykazały poprawę osiągów, wystąpił jednak problem braku hermetycznej kabiny.

Opracowany w 1937 r. I-16 typ 10 był wersją zbudowaną w oparciu o doświadczenia z eksploatacji i bojowego użycia wcześniejszych wersji. Różniła się od wcześniejszych wersji dość znacznie. Silnik M-25A zastąpiono mocniejszym M-25W. Uzbrojenie zostało wzmocnione o dwa karabiny maszynowe umieszczone nad silnikiem. Cała konstrukcja została wzmocniona. Ostatnią modyfikacją wprowadzoną na typie 10 było składane podwozie płozowe. Ponieważ bardzo śpieszono się z wprowadzeniem wersji czterokarabinowej zmiany wprowadzono stopniowo tak, że początkowo był to bardziej I-16 typ 5 z czterema SzKASami niż nowa wersja. Pierwsze wyprodukowane samoloty wysłano natychmiast do Hiszpanii. Produkcję I-16 typ 10 rozpoczęto w wytwórni nr 21 w 1937 r. Produkcja nie przekroczyła 1000 egz.

W roku 1939, w czasie konfliktu granicznego z Japonią nad rzeką Chałchyn Goł doszło do wymuszonej sytuacją modyfikacji typu 10. W lipcu zamontowano na jednej maszynie silnik M-62 samolotu I-153. Osiągi znacznie wzrosły. W warsztatach Moskiewskiego Okręgu Wojskowego w podobny sposób zmodernizowano trzy dalsze samoloty. Jednocześnie wytwórnia nr 21 przebudowała tak sześć samolotów. Upodobniły się one w ten sposób do I-16 typ 18. Ponieważ myśliwce japońskie były wyposażone w podskrzydłowe dodatkowe zbiorniki paliwa postanowiono pomysł ten skopiować. Próby przeprowadzono w czerwcu i lipcu 1939 r. Seryjne samoloty wyposażone w zbiorniki dodatkowe otrzymały oznaczenie I-16 typ 20. Do końca 1939 r. dostosowano do podwieszania zbiorników 80 I-16. Od stycznia 1940 r. wszystkie nowoprodukowane samoloty mogły przenosić podwieszane zbiorniki.

Na początku 1939 r. w wytwórni nr 21 zbudowano trzy samoloty I-16 typ 10 z karabinami maszynowymi SN konstruktorów Sawina i Norowa. Wersja ta otrzymała oznaczenie I-16 typ 19. Nowa wersja różniła się tylko tym, że skrzydłowe SzKASy zastąpiono karabinami SN. Później, pod oznaczeniem I-16SN, samoloty te produkowano i wprowadzono do uzbrojenia lotnictwa. Jednak ilość płatowców tak uzbrojonych nie jest znana. Wiosną 1939 r. na I-16 montowano także karabiny maszynowe Ultra SzKAS w sposób identyczny jak SN. Tak uzbrojone samoloty brały udział w wojnie z Finlandią zimą 1939/1940 r. Na jednym samolocie I-16 typ 10 zdemontowano skrzydłowe SzKAS-y, a zamiast kadłubowych zainstalowano dwa zsynchronizowane wkm Bieriezina kalibru 12,7 mm. Samolot otrzymał oznaczenie I-16SO. Próby samolotu przeprowadzono wiosną 1939 r. Samolot przeszedł próby zadowalająco, ale gazy prochowe przedostawały się do kabiny i gaźnika, tam też dostawały się resztki nie spalonego ładunku miotającego. Mimo tych problemów 6.05.1939 r. zapadła decyzja o zbudowaniu serii samolotów uzbrojonych w wkmy Bieriezina. Czy taka seria została zbudowana nie wiadomo.

I-16 typ 10 był także wykorzystywany do prób turbosprężarek. W 1939 r. samolot napędzany silnikiem M-25W przeszedł cykl prób w locie. Z silnikiem M-25W i dwoma TK-1 samolot rozwijał prędkość maksymalną max. 494 km/h, pułap wzrósł z 8470 m do 11 000 m. Egzemplarze doświadczalne po zamianie silnika M-25 na M-62 przekraczały prędkość 500 km/h. Wszystkie późniejsze wersje I-16 były budowane w oparciu o I-16 typ 10. Samolot dalej produkowano i modernizowano mimo tego, że w 1939 r. był to samolot już przestarzały. Ale w zamian nie było innych typów, a najnowszy sowiecki myśliwiec I-153 był dwupłatem.

Na początku 1938 r. Polikarpow został przeniesiony do wytwórni nr 156, na której terenie znajdowało się specjalne biuro NKWD złożone z uwięzionych specjalistów. Pierwszą wersję seryjną opracowaną w tej wytwórni był I-16 typ 17, wywodzący się bezpośrednio z I-16 typ 10. Różnica polegała na wymianie skrzydłowych karabinów na działka SzWAK. Dodatkowo samolot mógł przenieść do 200 kg bomb lub 6 pocisków rakietowych RS-82 na zaczepach podskrzydłowych. Zwiększenie masy płatowca pociągało za sobą pogorszenie osiągów i zwrotności. W związku z tym głównym przeznaczeniem typu 17 miało być zwalczanie bombowców. W wytwórni nr 21 w latach 1938-1939 zbudowano 341 samolotów I-16 typ 17.

W drugiej połowie 1939 r. wytwórnia nr 21 rozpoczęła produkcję I-16 z silnikami M-62 (kopia amerykańskiego silnika Wright ”Cyclone” R-1820 G-5) i M-63. Pierwszą wersją z silnikiem M-62 był I-16 typ 18. Był to początkowo I-16 typ 10 ze zmienionym silnikiem, oprócz opisanych już dziesięciu tak przebudowanych samolotów w 1940 r. wytwórnia nr 21 dostarczyła lotnictwu 294 komplety części potrzebnych do przebudowy typu 10 na typ 18. Prototypowy samolot z M-62 był gotowy na początku 1939 r., produkcja seryjna rozpoczęła się latem, pierwsze samoloty seryjne zdążyły jeszcze wziąć udział w walkach z Japończykami. W 1939 r. wytwórnia nr 21 zbudowała 177 samolotów typu 18, w 1940 r. zbudowano łącznie typów: typ 18 i typ 24- 760 egz.Zmiana napędu spowodowała zmiany w konstrukcji płatowca. Identyczne zmiany przeprowadzono z I-16 typ 17. Po zmianie zespołu napędowego z M-25 na M-62 przyjęto nowe oznaczenie I-16 typ 27. Wytwórnia nr 21 wyprodukowała w ostatnim 1939 r. 59 takich samolotów, a w następnym, razem z I-16 typ 28, 277 egz.

Następną próbą poprawienia osiągów było wykorzystanie silnika M-63. Pierwszą wersją na której montowano ten silnik był I-16 typ 24. Była to modyfikacja I-16 typ 18. Produkcja wersji I-16 typ 24 rozpoczęła się latem 1939 r. i do końca roku zbudowano 155 egz.W 1940 r. zbudowano, razem z I-16 typ 18, 760 egz.Produkcję tej wersji przekazano do wytwórni nr 153. Plan na 1940 r. przewidywał zbudowanie 500 egz. I-16 typ 24, jednak nie zbudowano ani jednego. Jedynie w 1941 r. zbudowano zaledwie 19 samolotów definitywnie rezygnując z tego typu. Wytwórnia rozpoczęła przygotowania do produkcji samolotów Ławoczkin ŁaGG-3 i Jakowlew Jak-7. Latem 1940 r. ,w 62 Brygadzie Lotniczej Floty Czarnomorskiej, konstruktor Orłów opracował podkadłubowe wyrzutniki bomb, na których można było podwiesić 10 bomb odłamkowych po 15 kg. Innym rozwiązaniem był podkadłubowy wyrzutnik dla jednej bomby burzącej FAB-100. Tak uzbrojone latały dwa samoloty. Ostatnią wersją opracowaną w 1939 r. był I-16 typ 28. Wersja ta powstała w oparciu o I-16 typ 27 ze zmianami wprowadzonymi na I-16 typ 24. W 1939 r. wyprodukowano 16 takich samolotów, w 1940 r., razem z I-16 typ 27, 277 egz. 20.08.1939 r. pięć samolotów I-16 po raz pierwszy użyło w walce niekierowanych pocisków rakietowych RS-82. Według strony sowieckiej był to wielki sukces. Strona japońska strat tych nie potwierdza. Pociski rakietowe zostały przyjęte do uzbrojenia i do końca 1939 r. zainstalowano je jeszcze na 31 samolotach różnych wersji.

W 1940 r. wytwórnia nr 21 produkowała równolegle wersje: typ 18 z dodatkowymi zbiornikami, typ 24, typ 24 ze zbiornikami, typ 24 z RS-ami, typ 24 z RS-ami i radiostacją RSI-3, typ 24 ze zbiornikami i RS-ami, typ 27 ze zbiornikami, typ 28 ze zbiornikami, typ 28, typ 28 ze zbiornikami i radiostacją RSI-3 oraz typ 15. Czyli 10 różnych wariantów z trzema silnikami! W drugiej połowie 1940 r. wytwórnia zastąpiła na linii produkcyjnej wszystkie wersje bojowe I-16 typ 29, ostatnią jednomiejscową wersją bojową I-16. Typ 29, wywodzący się z typu 24, miał zmienione uzbrojenie. Zamiast dwóch skrzydłowych karabinów maszynowych SzKAS otrzymał jeden wkm BS (Bieriezina) umieszczony w dolnej części kadłuba, został dostosowany do podwieszenia niekierowanych pocisków rakietowych RS-82. W pierwszej połowie 1941 r. część samolotów typu 29 otrzymała zaczepy pozwalające na użycie dodatkowych zbiorników lub bomb po 100 kg. Latem 1941 r. rozpoczęto na typie 29 montowanie wyrzutni pocisków RS-132. Wytwórnia nr 21 wyprodukowała w 1940 r. 652 samoloty tego typu.

W czasie wojny sowiecko-niemieckiej usiłowano wznowić produkcję I-16. W wytwórni nr 163 w Irkucku opracowano w 1942 r. drewniane skrzydło i usterzenie do I-16. Kierownictwo wytwórni nr 163 zamierzało w kwietniu 1943 r. (!) wznowić produkcję I-16 z drewnianym skrzydłem i usterzeniem. Ten dziwaczny pomysł nie otrzymał jednak poparcia ze strony kierownictwa przemysłu lotniczego.

Samoloty I-16 wykorzystywane były w zespołach samolotów Zwieno, której koncepcję opracował inż. Władimir Siergjejewicz Wachmistrow. Zespół samolotów złożony był z nosiciela i kilku połączonych z nim samolotów. Połączenia były sztywne i umożliwiały odłączenie się w powietrzu przenoszonych samolotów. Pierwszym zestawem wykorzystującym samoloty I-16 był Z-6. Składał się on z TB-3 i dwóch I-16 podwieszonych pod płatem. Zestaw Z-7 miał się składać z TB-3 i trzech I-16. W listopadzie 1935 r. przeprowadzono próby zestawu Awiamatka (lotniskowiec) złożonego z TB-3, dwóch I-5, na płacie, dwóch I-16 pod płatem i I-Z pod kadłubem. Wachmistrow planował też zestaw złożony z TB-3 i ośmiu I-16. Prace postanowiono kontynuować jedynie z zestawem Z-6. Pierwsze próby przeprowadzono w sierpniu 1935 r. Nosicielem był TB-3M-17F pod którym podwieszono dwa nieuzbrojone I-16 typ 4. Próby Zwieno-6 trwały około dwóch lat i zakończyły się pełnym sukcesem. W czasie ich trwania I-16 typ 4 zamieniono na I-16 typ 5. Jednak prace zostały nagle przerwane. Wachmistrow skoncentrował się na koncepcji nosiciela bombowców nurkujących. Samoloty I-16 miały stać się szybkimi bombowcami. Każdy z nich miał przenosić dwie bomby burzące FAB-250. Zespół nazwano Zwieno SPB. Wykorzystany w I-16 typ 5 z ładunkiem 500 kg bomb rozwijał prędkość 410 km/h, pułap wynosił 6800 m. Próby SPB przeprowadzone latem 1938 r. W ich wyniku postanowiono przystosować do standardu Zwieno-SPB 40 samolotów TB-3AM-34RN i 80 samolotów I-16. Skompletowano jednak tylko 5 zestawów, wyposażonych w I-16 typ 24. Przekazano je lotnictwu Floty Czarnomorskiej. Wykorzystywane były w czasie wojny z Niemcami. Ostatnie akcje bojowe przeprowadziły w 1942 r.

W 1936 r. zbudowano samolot CKB-29 SPB model 164, który był ulepszoną wersją samolotu CKB-12 bis, przeznaczoną do bombardowania z lotu nurkowego. Uzbrojenie: 2 karabiny maszynowe SzKAS i 200 kg bomb. Napęd stanowił silnik ”Cyclone” F-3. Samolot nie był budowany seryjnie.

Według oficjalnych danych sowiecki przemysł lotniczy zbudował 10292 samoloty wszystkich wersji, bez prototypów CKB-12. Nie uwzględniono tu produkcji w Hiszpanii, wynoszącej ok. 40 egz. Wg [4]- ogółem w ZSRR wyprodukowano w latach 1933-1941 7004 samoloty myśliwskie I-16 oraz 1660 samolotów szkolnych UTI.

Republikański rząd Hiszpański niemal od początku wojny domowej używał różnych wersji I-16. W 1938 r. lotnictwo republikańskie otrzymało 24 przemycone silniki Wright ”Cyclone” F-54 rozwijające maksymalną moc na wysokości 7000 m. W takie silniki wyposażono 12 I-16 typ 10. Samoloty te wykazały zdecydowaną przewagę nad Messerschmitt Bf-109B. Już w 1936 r. Rosjanie szukali możliwości uruchomienia produkcji samolotów w Hiszpanii, ostatecznie zdecydowano o produkcji I-15. Strona hiszpańska sporządziła dokumentację techniczną i zamierzała produkować samolot I-16 bez licencji. Planowano podobno zbudowanie aż 1000 (!) kopii, później obniżono do 100 egz. Latem 1938 r. w wytwórni Servicio de Aviacion y Fabrication (SAF) nr 15 w Alicante rozpoczęto produkcję I-16 typ 10. W 1938 r. zbudowano pierwsze cztery samoloty. Dziesięć dalszych samolotów miano zbudować do 10.02.1939 r., kiedy fabryka została zdobyta przez nacjonalistów, którzy przejęli 30 lub 35 nieukończonych samolotów (wg niektórych ilość ukończonych samolotów nie przekraczała 10 egz.). Montaż zdobycznych samolotów samolotów zakończono w 1941 r. Według źródeł rosyjskich wykończono 28 (wg [2]- 30) samolotów. Po zakończeniu wojny domowej niektóre z samolotów jednomiejscowych przerabiano na dwustery. Tak powstał np. I-16 typ 10 UTI i typ I-16E z jedną, zakrytą dwumiejscową kabiną. Po zakończeniu wojny domowej 52 (22 zdobyte, 30 złożone) samoloty I-16 były używane przez nacjonalistyczne Hiszpańskie Siły Powietrzne. Na początku lat 1950-tych większość z nich oddano na złom. Ostatni sprawny technicznie I-16 spisano ze stanu we wrześniu 1953 r.

Samoloty I-16 były dostarczane również do Chin. Oprócz dostaw próbowano tam uruchomić własną produkcję. W mieście Urumczi powstała wytwórnia samolotów określana jako wytwórnia nr 600 w Zachodnich Chinach. W kwietniu 1941 r. w Urumczi znajdowały się 143 rozmontowane I-16. Przystąpiono do montażu samolotów i pierwsze były gotowe po rozpoczęciu wojny sowiecko-niemieckiej. Po zmontowaniu były oblatywane i dostarczane drogą powietrzną do Ałma-Aty. Wytwórnia nr 600 w latach 1941-42 produkowała części zamienne do I-16 dla lotnictwa ZSRS.

Pierwsze egzemplarze samolotu I-16 zostały wprowadzone do jednostek lotniczych ZSRR na początku 1935 r. Pierwszym pułkiem, uzbrojonym w nowy sprzęt, był 1 Pułk Myśliwski. Podjęcie produkcji wersji szkolnej pozwoliło na szybkie wprowadzenie samolotu I-16 do uzbrojenia eskadr w pułkach myśliwskich WWS ZSRR oraz Lotnictwa Marynarki. Pierwszy sprawdzian w walce przeszły samoloty I-16 typ 5 w listopadzie 1936 r. w Hiszpanii, dokąd rząd ZSRR wysłał 31 samolotów I-16 wraz z grupą pilotów. Pierwsze zwycięstwo powietrzne na samolocie I-16 uzyskano 16.11.1936 r. Ogółem do Hiszpanii rząd ZSRR przekazał 259 samolotów I-16 typów 5, 6 i 10 oraz pewną liczbę samolotów UTI-4 (niektóre źródła szacują liczbę samolotów I-16 na 475 egz.). W czerwcu 1938 r. pierwsze 4 egz. samolotów I-16 zostają zdobyte przez wojska faszystowskie i poddane testom w locie na terenie Włoch i Niemiec.Kilka egzemplarzy zostało internowanych na terenie Francji.

W 1937 r. samoloty I-16 pojawiają się także w Chinach, dokąd rząd ZSRR wysłał grupę pilotów do walk z Japonią. Kolejne działania wojenne, w jakich uczestniczyły samoloty I-16, to walki z Japonią w rejonie rzeki Chałchin-goł w okresie maj-wrzesień 1939 r. W czasie tych walk 5.08.1939 r. uzyskano pierwsze zwycięstwo powietrzne za pomocą pocisku rakietowego wystrzelonego przez samoloty grupy specjalnej. We wrześniu 1939 r. samoloty I-16 biorą udział w działaniach zbrojnych przeciw Polsce. Na przełomie lat 1939-1940 uczestniczą w Wojnie Zimowej przeciw Finlandii. Najświetniejsze karty w swojej historii zapisały samoloty 1-16 w pierwszym okresie Wielkiej" Wojny Narodowej, przyjmując na siebie pierwsze uderzenie Luftwaffe, dysponującej w tym okresie sprzętem nowocześniejszym i lepszym. Samoloty 1-16 broniły Moskwy, Leningradu, Odessy, Sewastopola, Stalingradu oraz zadawały ciosy wrogowi na jego własnym terytorium. Przykładem takich akcji były naloty wykonane przez pilotów Floty Czarnomorskiej z zespołu "Zwieno", którzy z powodzeniem atakowali cele na terytorium Rumunii, niszcząc w sierpniu 1941 r. most przez Dunaj w miejscowości Cernawoda, zbiorniki ropy i rurociąg

W Polsce.

Wg [4]- w 1940 r. piloci Polskich Sił Powietrznych we Francji zetknęli się się z samolotami I-16 na terenie francuskiej bazy Istres, w której mechanicy polscy wyremontowali jeden z internowanych samolotów I-16. Brak jest niestety dokładniejszych danych na temat ewentualnego użytkowania samolotu przez polskich pilotów. (Informacja na podstawie relacji płk. W. Urbanowicza zawartej w książce Ogień nad Chinami.)

Jeden samolot I-16 typ 5 znajdował się w wyposażeniu 1 Pułku lotnictwa Myśliwskiego ”Warszawa” od marca do czerwca 1944 r., w okresie kiedy pułk był jeszcze jednostką szkolną i stacjonował na lotnisku w Grigoriewskoje. Maszyna była pozostawiona do dyspozycji dowódcy jednostki, służąc do lotów służbowych dla utrzymania łączności z dowództwem 4 Mieszaną Dywizją Lotniczą oraz ze sztabami innych jednostek wojskowych. Jedyny I-16 przekazano jednostce tyłowej przed przerzutem pułku na lotnisko Gostomel koło Kijowa.

Wg [4]:
- prawdopodobnie samolot I-16 był także maszyną służbową płk. Józefa Smagi, dowódcy 2 Pułku Nocnych Bombowców Kraków (brak potwierdzenia w nowszych źródłach),
- po zakończeniu działań wojennych w siedzibie 1 PLM w Boernerowie stał jako pomnik w latach 1946-1948 samolot I-16 typ 24 z namalowanymi szachownicami. Nie jest to zgodne z prawdą, ponieważ był to samolot UTI-4.

Konstrukcja:
Jednomiejscowy wolnonośny dolnopłat o konstrukcji mieszanej.
Kadłub półskorupowy, wykonany ze sklejki brzozowej, wzmocniony układem 12 żeber i 10 podłużnicami, wykonanymi z drewna sosnowego. Kabina odkryta.
Płat trójdzielny o konstrukcji metalowej. Centropłat mocowany na stałe do kadłuba miał dwa dźwigary wykonane z rur stalowo-chromowych. Żebra centropłata duralowe. Centropłat w całości kryty był blachą duralową. Skrzydła miały dwa stalowe dźwigary wykonane z rur stalowo-chromowych. Żebra wykonano z drutu. Skrzydła były częściowo kryte sklejką brzozową (do pierwszego dźwigara). Całość kryta płótnem. Krawędź natarcia wykonana była z blachy duralowej. Lotki szczelinowe typu Frise, dzielone, o konstrukcji metalowej, kryte płótnem.
Usterzenie wolnonośne o konstrukcji metalowej, kryte w części przedniej sklejką brzozową. Całość kryta płótnem. Stery o konstrukcji metalowej kryte były w części przedniej blachą duralową, a następnie w całości płótnem.
Podwozie klasyczne stałe (I-16 typ 9) lub chowane w locie.

Uzbrojenie:
- CKB-12, CKB-12bis, I-16 typ 4, I-16 typ 5- 2 stałe karabiny maszynowe SzKAS kal. 7,62 mm,
- I-16 typ 6- 3 stałe karabiny maszynowe SzKAS kal. 7,62 mm,
- I-16 typ 9- 6 karabinów maszynowych SzKAS kal. 7,62 mm w centropłacie (po trzy z każdej strony), umieszczone na jednej lawecie mogły wychylać się w dół o 9^o. Udźwig bomb- 150 kg,
- I-16P.S.- 2 kadłubowe, synchronizowane działka SzWAK kal. 20 mm,
- I-16 typ 10- 4 stałe karabiny maszynowe SzKAS kal. 7,62 mm,
- I-16 typ 12- 2 stałe działka SzWAK kal. 20 mm umieszczone w skrzydłach i 2 karabiny maszynowe SzKAS kal. 7,62 mm w zewnętrznych częściach płata,
- I-16 typ 17- 2 stałe działka SzWAK o kal. 20 mm i 2 karabiny maszynowe SzKAS kal. 7,62 mm. Udźwig bomb- 200 kg,
- I-16 typ 19 (I-16SN)- 2 stałe karabiny maszynowe SzKAS kal. 7,62 mm i 2 stałe karabiny maszynowe SN kal. 7,62 mm,
- I-16SO- 2 kadłubowe, zsynchronizowane wielokalibrowe karabiny maszynowe Bieriezin kal. 12,7 mm,
- I-16 typ 29- 1 stały wielokalibrowy karabin maszynowy Bieriezin BS kal. 12,7 mm i 2 karabiny maszynowe SzKAS kal. 7,62 mm, 6 niekierowanych pocisków rakietowych RS-82 lub 4 niekierowane pociski rakietowe RS-132 albo 2 bomby po 100 kg.

Wyposażenie- celownik lunetowy OP-1 (kopia Aldisa) zastąpiony później celownikiem refleksyjnym PAK-1. Część samolotów I-16 typ 24 wyposażona była w radiostacje nadawczo-odbiorcze typu RSI-3, przy czym radiostacje miały zazwyczaj samoloty dowódców pułków i eskadr.

Silnik- gwiazdowy:
- CKB-12, I-16 typ 4, I-16 typ 14- M-22 o mocy 353 kW (480 KM),
- CKB-12 bis- Wright ”Cyclone” F-3 o mocy 524 kW (712 KM),
- I-16 typ 4- M-25 o mocy 515 kW (700 KM),
- I-16 typ 5, I-16 typ 6, I-16 typ 12- M-25A o mocy 537 kW (730 KM),
- I-16 typ 10, I-16 typ 17- M-25W o mocy 552 kW (750 KM),
- I-16 typ 18, I-16 typ 27- M-62 o mocy 588 kW (800 KM),
- I-16 typ 24, I-16 typ 28, I-16 typ 29- M-63 o mocy 662 kW (900 KM),

Dane techniczne:

Model	Wg	Rozpiętość	Długość	Wysokość	Pow. nośna	Masa własna	Masa startowa	Prędkość max	Prędkość lądowania	Czas wznosz. na 5000 m	Pułap	Zasięg max
		[m]	[m]	[m]	[m2]	[kg]	[kg]	[km/h]	[km/h]	minut	[m]	[km]
CKB-12	[1]	9,0	5,86	3,25	14,5	930	1345	359	109	9,4	7170	720
CKB-12bis	[1]	9,0	6,07	3,25	14,5		1420	382	100	6,8	8640
I-16 typ 4	[1]	9,0	5,86	3,25	14,5		1354	362	107	9,9	7440	680
I-16 typ 5	[1]	9,0	5,985	3,25	14,5	1118,5	1508	445	117	7,7	9100	540
I-16 typ 6	[1]	9,0	5,985	3,25	14,5	1260	1660	440	115	6,3	9100
I-16 typ 10	[1]	9,004	6,074	3,25	14,54	1327	1716	448	126	6,9	8470	525
I-16 typ 12	[1]	9,004	5,985	3,25	14,54	1160	1718	431	129	8,9	8240
I-16 typ 17	[1]	9,004	6,074	3,25	14,54	1425,5	1810	425	131	8,9	8240	417
I-16 typ 18	[1]	9,004	6,074	3,25	14,54	1433,5	1830	461	132	5,4	9300	485
I-16 typ 24	[1]	9,004	6,13	3,25	14,54	1382,5	1882	462	130,5	6,0	9700	440
I-16 typ 24	[3]	9,0	6,13		14,54	1490	1941	462			9700	700
I-16 typ 27	[1]	9,004	6,074	3,25	14,54	1335,5	1807,9		131			458
I-16 typ 28	[1]	9,004	6,13	3,25	14,54	1403,1	1988	463	150	5,55	9950
I-16 typ 29	[1]	9,004	6,13	3,218	14,54	1396,5	1940	470	131	5,8	9800	440

Inne wersje:
Polikarpow UTI-4 (UT-2)