1935年7月，装M-25发动机和ShKAS机枪的5型开始生产，产量约1500架。在1935-1937年间5型是当时世界上飞得最快的战斗机，在西班牙内战时性能明显优于叛军的Fiat CR-12双翼战斗机。到1941年6月22日卫国战争开始时，苏军第一线作战飞机中还有大量5型。和5型同时生产的6型缩小了背部的背脊，改善飞行员的后方视野。
4型/5型也用于Zveno组合飞机的试验，在TB-3重型轰炸机的机翼和机背上携带2-4架I-16，形成组合武器系统(参见Zveno-SBP)。
1937年底，10型开始生产。10型在机头增加两挺ShKAS机枪，在飞行员座位后背增加8mm厚的装甲板，可以抵御12.7mm机枪的攻击，使用功率更大的M-25V发动机。作为战斗机，10型一直使用到1943年，部分10型改为联络机或高速侦察机(在右翼尖加装照相机)，使用到1944年。
5/6/10型参加过西班牙内战和中国的抗日战争。在苏联提供给西班牙政府军的684架飞机中I-16占相当比例。10型从1937年10月到1939年9月，共提供中国空军216架，和苏联空军志愿队的I-16一起在抗日战争初期的空战中发挥了很大作用。
14型又称UTI-2，是1938年投产的双座教练机。
1938年生产的I-16是17型，基本和10型一样。1939年换装功率更大的1000HP的M62发动机，称为27型。17/27型一共生产1184架。
20型是1939年研制的翼下加挂副油箱的试验型，在加挂2*200L副油箱后。航程可以从800KM提高到1200KM。20型未投产，但加挂副油箱的技术被用于18/24/29型上。
1939年投产的24型和1940年投产的29型装备1100HP的M-63发动机，24型的航速达到470KM/H。29型是I-16的最后型别，主要是将1940年研制成功的12.7mmUB重机枪换调换24型的7.62mm机枪。24型和29型在1940年-1941年战争爆发前曾大批生产。
从17型开始有部分飞机装备20mm机关炮，在卫国战争初期，装20mm机炮的I-16在IL-2强击机未大批装备部队前，在攻击地面德军行军纵队和装甲目标时充作强击机使用。绝大部分I-16都可以在机翼下携带4-6枚火箭弹。
I-16始终存在操纵困难的缺点，在急跃升时容易陷入螺旋，而且，从BF109和“零”式战斗机出现后，I-16已明显落后于敌方。
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