Поликарпов не забывал о необходимости проектирования нового истребителя, предназначенного для замены И-16. В 1937 г. Поликарпов получил назначение главным инженером завода № 156. Именно на этом заводе развернулись работы по созданию перспективной машины. В начале 1938 г. проект И-180, носивший на себе отпечаток ЦКБ-25, был в целом готов. Лицензионный выпуск двигателей Гном-Рон налаживался в Запорожье на моторостроительном заводе № 29. Непосредственным развитием французского движка стал мотор М-88 мощностью 1100 л.с. Истребитель с таким мотором мог стать достойным приемником И-16 и мог развивать скорость в 600 км/ч.
Конструктивно И-180 являлся логическим развитием И-16, его освоение в массовом производстве не вызывало особых трудностей. Самолет с нетерпением ждали в войсках, поэтому правительство настоятельно рекомендовало Поликарпову начать серийное производство истребителей еще до конца 1938 г. Рекомендации были сугубо волюнтаристскими, довести и запустить в серию новый самолет — дело весьма фантастичное. Серия ошибок в планировании производства наряду с гибелью на И-180 Чкалова, Сузи и Степанчонка, поставила крест на многообещающем самолете.
Первый полет И-180 состоялся 15 декабря 1938 г. Поднимал его в воздух Валерий Павлович Чкалов. Полет окончился трагической гибелью национального героя. 5 сентября 1939 г. на втором прототипе разбился летчик-испытатель Томас Сузи. 26 мая 1940 перевернулся на посадке и едва не погиб опытнейший летчик-испытатель, герой Китая Степан Супрун. Летчику-испытателю НИИ ВВС Афанасию Прошакову 5 июля того же года пришлось покинуть с парашютом И-180 после попадания в перевернутый штопор.
Такие случаи не могли пройти бесследно — под удар попал сам Н.Н. Поликарпов, а не только самолет И-180. «Короля истребителей» переводили с одного завода на другой, банально подсиживали завистники, не давали ходу проектам — проще говоря «зажимали». В 1939 г. Поликарпов вместе с помощниками приступил к проектированию истребителя под двигатель жидкостного охлаждения АМ-37.
Проект нового высотного истребителя получил шифр И-200(К). Осенью 1939 г. проект находился в завершающей стадии. В октябре Поликарпова в составе делегации советских специалистов направили в Германию для знакомства с авиационной промышленностью. В отсутствие Поликарпова из его КБ выделилась новая организация — ОКО. В ОКО ушли многие специалисты, прихватив с собой проект И-200. Возглавил ОКО молодой представитель ВВС на заводе — некто Артем Микоян, брат сталинского наркома Анастаса Микояна. Правой рукой Микояна младшего стал опытнейший конструктор Михаил Гуревич. Истребитель И-200 получил всемирное признание под маркой МиГ-3.