Первые самолеты И-16 тип 10 отправили в Испанию в марте 1938 г. в составе партии из 31 истребителя, летом к ним прибавилось еще девяносто И-16 тип 10. Самолеты И-16 тип 10 приняли участие в ожесточенных воздушных боях лета 1938 г. В это же время испанцы получили 24 двигателя Райт «Циклон F54» американского производства, эти моторы имели улучшенные высотные характеристики. Несколько И-16 из 4-й эскадрильи переоснастили американскими Райт «Циклонами»; 4-й эскадрильей командовал один из самых ярких асов республиканских ВВС — Антонио Ариас.
Расчеты показывали, что новые двигатели будут сохранять мощность до высоты порядка 7000 м, что даст возможность пилотам И-16 на равных вести воздушный бой с истребителями Bf. 109. Первые схватки между двумя типами истребителей-монопланов, показали, что до высоты 3000 м они имеют примерно равные характеристики, но выше мощность двигателя М-25 падает, в то время как мотор мессершмитта не теряет мощности до высоты 5000 м. За счет большей высотности двигателя летчики Bf. 109 могли диктовать свои условия боя.
Летчики Антонио Ариаса преподнесли сюрприз противнику 17 сентября 1938 г. над Эбро в воздушном бою с эскадрильей мессершмиттов. В первой же атаке, неожиданно свалившись сверху, летчики И-16 с Райт «Циклонами» сбили четыре Bf. 109. Всего же республиканские летчики (в бою принимали участие И-16 с Райт «Циклонами», «нормальные» И-16 и И-15) сбили одиннадцать самолетов противника. Увы, это была уже прощальная песня. До конца 1938 г. все советские летчики покинули Испанию, а поставки авиационной техники из СССР прекратились. В общей сложности из Советского Союза в Испанию было отправлено 455 одноместных истребителей И-16 и 20 двухместных УТИ-4; к месту назначения прибыли 422 И-16 и четыре И-16УТИ.
Франкисты фактически организовали морскую блокаду республики: 96 советских транспортов с военным имуществом были перехвачены, а три («Комсомолец», «Тимирязев» и «Благоев») потоплены. Сложности доставки грузов морем были предсказуемы, поэтому еще в 1936 г. в Испанию прибыла техническая комиссия с целью изучения возможности изготовления самолетов на месте. Комиссия провела инспекцию 16 заводов, 22 января 1937 г. отчет о работе комиссии лег на стол наркома авиапромышленности М.М. Кагановича. Комиссия посчитала возможным организацию авиационного производства в испанской республике.
Для массового производства выбрали истребитель-биплан И-15, в Испании уже имелась техдокументация на этот самолет, так же как и значительный запас узлов и агрегатов для него. Сборка И-16 была предпочтительнее по причине более высоких летных характеристик истребителя-моноплана, но велась она фактически в режиме строго секретности. Руководство Республики рассматривало вопрос об изготовлении в Испании не мене тысячи И-16. Летом 1938 г. на заводе SAF-15 в Аликанте начался выпуск истребителей И-16 тип 10. До конца года здесь удалось собрать четыре истребителя, получивших номера с «СН-001» до «СН-004». Первые испанские И-16 имели вооружение только из крыльевых пулеметов, их можно рассматривать как промежуточный вариант между И-16 тип 5 и И-16 тип 10. Четыре И-16 постройки завода в Аликанте стали первыми и последними монопланами данного типа, изготовленными в Испании и принявшими участие в боях на стороне Республики. Следующие десять И-16 вступили в строй уже после падения Республики. После окончания гражданское войны все «моски» испанского производства наряду с трофейными И-16 (всего 22 самолета), поступили на вооружение 26-1 группы, которая базировалась в Майорке. В 1941 г. в летное состояние удалось привести еще 28 И-16. В 1948 г. все истребители И-16 ВВС Испании получили новое обозначение — С.8. На вооружении учебных подразделений ВВС Испании самолеты С.8 оставались до 1953 г.