С августа началась постройка, и 30 декабря 1933 г.

В.П. Чкалов совершил первый полет на И-16 с М-22. В январе приступили к испытаниям второго экземпляра с мотором РЦФ-2, поскольку РЦФ-3 все еще не производился.

В феврале 1934 г. начались госиспытания. На И-16 с М-22 летал В.К. Коккинаки, а на И-16 с РЦФ-2 — В.А. Степанченок. Самолеты имели неубираемое лыжное шасси и не могли показать расчетную скорость (скорость у земли первого экземпляра 306 км/ч, второго — 346 км/ч). Пилоты отмечали хорошую летучесть и маневренность истребителя. Одновременно указывали, что И-16 строг в пилотировании. Дело в том, что он имел заднюю центровку и малый запас устойчивости — ведь чем самолет менее устойчив, тем он более маневренный. На И-16 центр тяжести практически совпадал с аэродинамическим фокусом.(2)

Необычная продольная компоновка И-16 вызывала у ряда ученых большие сомнения в его штопорных характеристиках. Однако 1 и 2 марта 1934 г. Чкалов в пяти полетах подтвердил соответствие опытной машины предъявляемым требованиям. А в сентябре 1935 г. летчиком-испытателем П.М. Стефановским в НИИ ВВС были проведены детальные испытания серийного образца. Из обычного штопора И-16 выходил нормально, а плоский и перевернутый на нем вообще не получались. Из перевернутого самолет сразу же выходил сам.

В сентябре 1934 г. И-16 еще раз передали на государственные испытания. Наконец-то был установлен мотор РЦФ-3, который в серийном производстве получил обозначение М-25. Были устранены и многие недостатки, особенно в механизме уборки и выпуска шасси. Двигатель закрыли новым капотом, применявшимся потом на всех дальнейших модификациях. Он не имел выходной щели, а охлаждающий воздух проходил через несколько продолговатых отверстий по бокам. Истребитель показал выдающиеся по тому времени данные: максимальная скорость у земли была равна 395 км/ч, на высоте 4000 м — 455 км/ч (с М-22 -350 км/ч и 325 км/ч соответственно).

Почти одновременно с И-16 Поликарпов проектирует истребитель-моноплан И-17 (ЦКБ-15) с двигателем жидкостного охлаждения. В 1935 г. была построена его модификация ЦКБ-19 с мотором М-100 в 760 л,с. Самолет показал скорость до 500 км/ч и впервые в СССР был вооружен пушкой, стрелявшей через вал редуктора. Он опережал по времени выпуска истребители "Мессершмитт" Bf-109, "Харрикейн", "Спитфайр" и др. Однако должного внимания этой машине ни со стороны ВВС, ни со стороны КБ уделено не было. Все сосредоточились на И-16.(3)

С конца 1934 г. началось внедрение И-16 в серию на заводе № 21 в Горьком. Поскольку это был четвертый тип самолетов, строившихся здесь, то в документации он обозначался И-16 тип 4. От прототипа он отличался несколько удлиненным капотом и наличием механизма зависания элеронов для снижения посадочной скорости. Первоначально И-16 тип 4 выпускался с мотором М-22 (480 л. с), затем — с М-25 (712л. с). Горьковский завод стал головным по выпуску И-16. Тут построили 8495 этих самолетов различных типов, причем последние 337 шт. собрали в 1941 г. В 1934-36 гг. на заводе № 39 в Москве сделали 58 шт. И-16. С 1937 г. И-16 выпускались также заводом № 153 в Новосибирске, где до начала войны их сдали 897 шт. Всего за семь лет серийного производства было построено 9450 этих истребителей.

Поликарпов придавал большое значение дальнейшему совершенствованию своих самолетов. В одной из статей он писал: "Каждый из нас, конструкторов, стремится к тому, чтобы его машина как можно дольше оставалась морально молодой. Но это случается лишь с теми конструкциями, которые можно все время путем модификаций держать на уровне современной мировой техники. По сути дела модификация — продолжение конструирования, только в форме, более выгодной промышленности".

Ярким воплощением этой концепции является И-16, развитие которого шло по следующим направлениям: повышение летных и эксплуатационных качеств; повышение огневой мощи; разработка учебно-тренировочных вариантов; создание опытных и экспериментальных машин для отработки прогрессивных конструкторских идей, проверки новых двигателей, турбокомпрессоров, перспективных образцов вооружения.

Одной из наиболее массовых модификаций И-16 был тип 5. Запущенный в серию в 1935 г., он являлся развитием опытного И-16 с РЦФ-3. Его вооружение состояло из двух пулеметов ШКАС в центроплане, а максимальная скорость достигала 454 км/ч. Кабина летчика полностью закрывалась легко сдвигаемым вперед фонарем. Однако, несмотря на надежность конструкции, пилоты продолжали летать с открытыми фонарями.

В 1936 г. построена пушечная модификация- типа 5 — тип 12. В его крыле, кроме пулеметов, установили две пушки ШВАК калибра 20 мм. Параллельно на базе И-16 с мотором М-22 создали учебно-тренировочный самолет УТИ-2. В том же году КБ Поликарпова было переведено на завод № 84 в Химках. В дальнейшем подобные переезды повторялись неоднократно и стали для Николая Николаевича серьезнейшей проблемой.

В 1937 г. появился И-16 тип 6. Учитывая пожелания летчиков, конструкторы выполнили кабину открытой с козырьком, сохранившимся на всех последующих модификациях. Тип 6 оснастили двигателем М-25А (730 л. с), летные данные и вооружение соответствовали типу 5.

В этом же году был построен И-16 тип 10 с двигателем М-25В (750 л. с). Самолет имел усиленную конструкцию и посадочные щитки, впервые примененные на серийных истребителях СССР. В дополнение к двум крыльевым пулеметам над мотором появились еще два синхронных ШКАСа. Взлетный вес возрос на 200 кг. Скорость снизилась до 438 км/ч. Для этой модификации впервые в мировой практике были спроектированы убирающиеся лыжи. Тип 10 послужил основой для разработки учебно-тренировочного истребителя УТИ-4 (И-16 тип 15).