Утром 16 ноября 1936 г. первые И-16 пролетели над крышами Мадрида. Их появление стало сюрпризом как для франкистов, так и для республиканцев. «Моски» атаковали истребители CR-32, которые прикрывали бомбардировщики Ju-52. Юнкерсы бомбили позиции республиканцев в районе больницы Клинико и казарм Монтанья. На следующий день первый И-16 был сбит звеном «Чирри» (прозвище истребителя CR-32), которое вел капитан Ангел Салас Ларразабал.
До конца ноября имело место несколько воздушных боев, главным образом с участием «Чато» (истребитель И-15) и «Чирри».
К декабрю стало ясно — инициатива в воздушной войне переходит к республиканцам. Республиканские бомбардировщики СБ-2 могли беспрепятственно наносить удары по войскам Франко, а И-15 и И-16 удерживали господство в воздухе. Дошло до того, что итальянское командование запретило своим пилотам летать над территорией, контролируемой республиканцами. Такой приказ вообще лишил зашиты бомбардировщики франкистов и спровоцировал протесты со стороны капитана Хоакина Гарсия Морато — командира прикомандированной к итальянскому легиону группы испанских летчиков. В одном из полетов командир звена капитан Ангел Салас проигнорировал приказ. По возвращении он узнал, что командир итальянской истребительной группы майор Таркисио Фагнани намеревается его арестовать. Реакция Морато была взрывной, взыграла горячая испанская кровь. Морато накричал на Фаганани, популярно объяснив итальянцу, что в Испании за проявление храбрости аресту не подвергают. Стычка между Морато и Фагнани имела далеко идущие последствия — прекратилось формирование сугубо испанского истребительного подразделения.
Звено И-16 было атаковано 20 декабря пятеркой CR-32. Внезапной атакой истребители франкистов сбили три «моски». В очередном воздушном бою, состоявшимся через два дня Фиаты сбили как минимум один И-16. Однако 5 января успех способствовал республиканцам. Отражая налет на Лас-Розас. пилоты И-16 сбили один бомбардировщик Савойя-Маркетти SM.81 (командир экипажа Иоакин Тассо) и один Ромео Ro.37bis (бортовой номер «12–14», экипаж 2-й лейтенант Луис Муньос Кабаллеро и капрал Антонио Гримальди).
Месяцем позже, 6 февраля, возобновились интенсивные воздушные бои в секторе реки Жарама, где франкисты пытались перерезать шоссе Мадрид-Валенсия. 12 февраля девятка И-16 внезапно атаковала группу бомбардировщиков Ju-52, которые летели под прикрытием 13 истребителей Не-51 из состава стаффелей 1.J/88 и 3.J/88 германского легиона «Кондор». Бой происходил над Мората-де-Тажунья. «Моски» сбили Хейнкели командира 1.J/88 капитана Вернера Палма и лейтенанта Ганса-Юргена Нхипи. Оба приземлились на парашютах на ничейную полосу, но сумели выбраться к франкистам, после чего раненых доставили в госпиталь в Гриньоне.