В Испанию тип 10 поступил впервые в марте 1938 года в количестве 31 экземпляра. В течение лета поступило еще 90 таких четырехпулеметных машин. Эти самолеты участвовали и воздушных сражениях в течение лета-осени 1938 года. В этот период в Испанию попа in 74 «контрабандных» американских высотных двигателя «Райт-Циклон» F-54. Этими двигателями оснастили самолеты эскадрильи №4, состоящей из 12-ти И-16 тип 10, которой командовал один из самых результативных испанских пилотов Антонио Ариас. «Суперы», оснашенные двигателем, который развивал максимальную мощность на 7000 метрах, получили прекрасную возможность отыграться на немецких истребителях Bf.109. Нужно сказать, что уже первые боевые столкновения И-16 и Bf.109 весной 1937 года показали приблизительно равные возможности этих машин. Однако так продолжалось лишь до 3-х километровой высоты, где мощность двигателя И-16 начинала падать, а двигатель Bf.109 сохранял мощность до подъема на высоту 5000 метров. Данное преимущество позволяло пилотам «Мессершмиттов» практически всегда занимать более выгодную позицию.
После установки высотных двигателей на самолеты 4-ой эскадрильи, летчики стали летать с кислородными масками, за что их прозвали эскадрильей «сосунков». 18 сентября 1938 года в воздушном бою над рекой Эбро, две шестерки «сосунков» внезапно атаковали сверху две восьмерки «Мессершмиггов» и сбили четыре из них. Всего в этом групповом бою, в котором участвовали также невысотные И-16 и И-15, было сбито 11 неприятельских самолетов.
Это, однако, были уже одни из последних удачных боевых действий. До конца 1938 года советские летчики были отозваны на родину, а поставки самолетов практически прекращены. Всего в период 1936-1938 г.г. в Испанию было отправлено 455 И-16 и 20 УТИ-4. Дошло соответственно 422 и 4 машины. За этот период было задержано 96 советских судов с поставками военных грузов. Три судна «Комсомолец», «Тимирязев», «Благосв» были потоплены. Сложность доставки военных грузов впрочем предугадывалась с самого начала. Поэтому еще в 1936 году в Испанию была направлена техническая комиссия с целью оценки возможности производства самолетов на месте. Комиссия обследовала 16 заводов и уже 22 января 1937 года направила наркому авиационной промышленности СССР М.М.Кагановичу обстоятельный документ с положительной оценкой.
Для серийного изготовления в Испании был выбран, однако, биплан И-15. Именно этот самолет был обеспечен технической документацией и материалами из СССР. И-16, который был все таки предпочтительней, ввиду более высоких характеристик, стали строить нелегально. С готовых самолетов, запасных частей были сняты чертежи и восстановлена технология изготовления. О стремлении выпускать И-16 говорит гот факт, что у испанского руководства существовал план выпуска 1000 таких истребителей. Летом 1938 года производство И-16 тип 10 было развернуто на авиазаводе SAF-I5 в Аликанте. До конца года завод закончил 4 машины, обозначенные Сн-001 — Сн-004. Эти первые И-16 испанской постройки были, однако, вооружены лишь двумя крыльевыми пулеметами, поэтому занимали промежуточное положение между типом 5 и 10. По сути они являлись первыми и последними, ибо остальные 10 машин этой серии после падения республики достались националистам. Вместе с захваченными боевыми И-16, они вошли после войны в базирующуюся на Мальорке Grupo 26, состоящую из 22 самолетов. В 1941 году до летного состояния были доведены еще 28 машин. В 1948 году самолеты типа И-16 получили обозначение С.8. Используясь в основном в летных школах. С.8. просуществовали в испанской авиации до 1953 года.