Много внимания уделялось изучению живучести самолета в условиях реальных боевых действий. Воздушные бои над Валенсией в период с 9 марта по 8 апреля 1937 г. привлекли особое внимание этой проблеме. Выяснилось, что пули крупнокалиберных пулеметов истребителей CR-32 пробивают бронеспинку И-16, защита топливных баков советского истребителя также оставляет желать лучшего.
На рулежке истребителей по полевым испанским аэродромам двигатели М-25 засасывали пыль, из-за чего быстро выходили из строя. Все первые двигатели воздушного охлаждения не оснащались маслорадиаторами, однако опыт эксплуатации И-16 в Испании выявил настоятельную необходимость установки маслорадиаторов. Перегреву двигателей способствовал не только жаркий климат, но и далекое от бережливости отношение летчиков к своим самолетам. Практически весь полет двигатели работали на максимальных оборотах. Никто не предполагал в мирное время, что на самолетах станут пикировать с высоты 3–4 километров до самой земли, так же не предполагали и длительных бреющих полетов. Сорванные струей воздуха на протяжении нескольких километров полевые цветы стали обычным явлением.
И все-таки в целом И-16 заслужил положительную оценку. Большим достоинством планера истребителя стала простота ремонта. Средний процент ежемесячных потерь составлял 35,4 %, из них 18 % — потери безвозвратные, а 16,4 % подлежали ремонту в полевых мастерских. Средний срок «жизни» в боевых условиях одного истребителя И-16 составил 87 дней. Настоящим сюрпризом для конструкторов стала стойкость к атмосферному воздействию конструкции из дерева и полотна. В жарком и сухом испанском климате такие конструкции сохранялись гораздо лучше, чем в суровых условиях России.
Главным недостатком И-16 стало сравнительно слабое вооружение самолета. Его основной противник, итальянский Фиат CR-32, имел гораздо более сильное вооружение, позволявшее пилотам республиканцев частично компенсировать более низкие летные характеристики своего биплана. Двух 7,62-мм ШКАСов было явно недостаточно. Группа инженеров завода № 21 под руководством Боровкова всего за одну ночь изыскала возможность установки на И-16 третьего, синхронного, пулемета ШКАС в нижней части фюзеляжа. «Трехпулеметных» И-16 изготовили незначительное количество. Даже если некоторые из них и попали в Испанию, на ход воздушных боев они не оказали никакого влияния.
Позже появилась новая модификация И-16. вооруженная помимо крыльевых двумя синхронными пулеметами, установленными над двигателем.
«Четырехточечный» вариант получил обозначение «И-16 тип 10», в Испании он был известен как «Супер моска». Истребители отправлялись в Испанию непосредственно с заводов раньше, чем были официально приняты на вооружение ВВС РККА. Госиспытания в НИИ ВВС истребитель И-16 с более мощным двигателем М-25, посадочными щитками и убираемым лыжным шасси прошел только в феврале 1939 г.