4 января 1939 г. 4-я эскадрилья атаковала группу бомбардировщиков Не-11 IE. Хейнкель был сбит, но свою смерть нашел и пилот И-16 сержант Джиллермо Фернандес Альдапе. На следующий день «моски» 4-й эскадрильи дрались с Bf. 109D. Повреждения получил И-16 сержанта Франсиско Белингуэра Лладера, однако летчик дотянул машину до аэродрома Вендрелл.
4-я эскадрилья перебазировалась в Реус с задачей прикрывать высадку в Барселоне подкреплений, прибывающих в Центральную зону. На следующей день особой активности авиации не отмечалось, но И-16 с бортовым номером «СМ-222» Сабино Кортизо из 4-й эскадрильи был сбит мессершмиттами над морем недалеко от Барселоны. Ближе к вечеру пара Лопес де Санта-Мария и Лучано Табернеро Герреро атаковали группу Не-111Е и Bf. 109D. Испанцы сбили один мессершмитт. 25 января в воздух с аэродрома Ла-Гаррига поднялись последние пригодные к полетам И-16. Истребителям предстояло сопровождать И-15, конечно же они были перехвачены самолетами противника — Фиатами из «La Cucaracha». Республиканцы сбили два CR.32 — сержанта Луиджи Катены и капрала Марино Маси. Истребитель Маси стал последним CR.32, сбитым в воздушном бою гражданской войны в Испании.
Франкисты вошли в Барселону 26 января, не встретив сопротивления. Продвижение больше напоминало военный парад — республиканцы были полностью деморализованы. В тот же день столкнулся с деревом на взлете с аэродрома Ла-Гаррига сержант Лопес де Санта-Мария, летчик получил серьезные ранения, а И-16 с бортовым кодом «СМ-255» был полностью разбит. Некоторые пилоты, чьи семьи находились в восточной части Испании, 1 февраля улетели с аэродрома Ла-Гаррига. На маршруте их перехватили истребители франкистов, сбив двух -16 в районе Паламос, другие сумели добраться до Каталонии.
В последующие дни в войсках республиканцев начался коллапс. Армия распалась на мелкие отряды, прокладывающие себе путь к французской границе. Воздушные бои фактически прекратились. Уцелевшие самолеты республиканцев концентрировались на аэродромах Фигуэрас и Виллаюга. Аэродромы подвергались ударам франкистской авиации. В конченом итоге во Францию удалось перелететь всего двум И-16, остальные были уничтожены на земле в результате налетов или приведены в неисправное состояние летчиками и техниками. Некоторое количество исправных истребителей И-16 франкисты смогли захватить на других аэродромах.
В конце 1938 г. используя богатый опыт ремонта и восстановления «мосок», на заводе SAF-15 началось серийное производство И-16 тип 10. Известно, что до конца года завод выпустил несколько самолетов, получивших бортовые коды, начинавшиеся на «СН». Фотографий этих истребителей не сохранилось, не известно как они были окрашены. Франкисты обнаружили на заводе в Ла-Рабаса значительное количество истребителей И-16 на разных стадиях изготовления, кроме того, на заводе хранились большие запасы двигателей и запасных частей. Новым хозяевам удалось собрать 30 истребителей, еще 22 И-16 в исправном состоянии было захвачено в качестве трофеев. Таким образом, на вооружение Ejercito del Aire поступило 52 истребителя И-16, последние два из них списали только в 1953 г.