Имелось два различных варианта, развития проекта истребителя: ЦКБ-12 с радиальным двигателем М-22 воздушного охлаждения (мощностью 480 л.с.) и ЦКБ- 12бис, который оснащался импортным радиальным девятицилиндровым американским двигателем Wright Cyclone SGR-1820-F-3 воздушного охлаждения (мощностью 710 л.с.). На обоих опытных самолетах использовался трехлопастной воздушный винт Hamilton-Standard. Вооружение также было одинаковым – два авиационных пулемета ПВ-1, калибра 7,62 мм, и боезапасом по 900 патронов на ствол. Пулеметы были расположены в крыльях, вне зоны ометаемой воздушным винтом. В ходе начальной стадии программы летных испытаний, вооружение не устанавливалось, а на крыльях были смонтированы муляжи стволов.
В конце ноября 1933 года, был построен полномасштабный макет истребителя. Расчетные характеристики ЦКБ-12 были настолько многообещающие, что, даже до завершения первого опытного образца был поднят вопрос о запуске истребителя в серийное производство.
ЦКБ-12, оснащенный двигателем М-22 выкатили из заводского цеха 28 декабря 1933 года. Первый полет он совершил 30 декабря. управлял им Валерий Чкалов. На следующий день началась программа заводских испытаний.
Опытный ЦКБ-12 был оборудован лыжным шасси – временная мера для, обеспечения его летных испытаний в зимний период. Первоначально ЦКБ-12 имел руль направления небольшой площади, но уже ранние заводские испытания показали, что устойчивость самолета неудовлетворительна, и площадь руля была увеличена. Кроме того трехлопастной винт типа Hamilton-Standard был заменен двухлопастным воздушным винтом советского производства В-22. ЦКБ- 12бис с двигателем Wright Cyclone сохранил трехлопастной воздушный винт Hamilton-Standard.
В начале 1934 года, в ходе заводских испытаний, капот двигателя на ЦКБ-12 был изменен, чтобы преодолеть проблемы, связанные с перегреванием мотора. Новый капот стал больше сужаться назад, а его сечение в передней части было увеличено, обтекатели цилиндров двигателя демонтировали. Кроме того, в верхней части передней кромки капота появились два маленьких, круглых воздухозаборника.
Опытный ЦКБ-12бис, оснащенный двигателем Wright Cyclone SGR-1820-F-2 (вместо планировавшегося для него двигателя Wright Cyclone SGR-1820-F-3, который не был поставлен вовремя), совершил свой первый полет в январе 1934 года. Внешне ЦКБ-12бис отличался от ЦКБ-12, прежде всего большим капотом. Заводские испытания обоих опытных машин проводил В.Ф.Чкалов.
Несмотря на разнообразные недостатки, обнаруженные во время испытаний, которые так и не удалось полностью исправить, опытные ЦКБ-12 и ЦКБ-12бис были переданы в Научно-исследовательский институт ВВС (НИИ ВВС) для Государственных испытаний. С 16 по 27 февраля 1934 года, в соответствии с программой испытаний, полеты на опытных машинах проводили летчики-испытатели В.К.Коккинаки (ЦКБ-12) и В.А.Степанчонок (ЦКБ-12бис).