В конце 1935 г. на заводе № 21 был подготовлен проект самолета И-161, вооруженного четырьмя пулеметами ШКАС и четырьмя бомбами массой до 20 кг каждая. Рассматривался также пушечный вариант самолета, которые в серии должен был получить обозначение «тип 12».
В 1936-37 г.г. завод изготовил несколько опытных истребителей, имевших обозначения от И-161 до И-166.
И-163-1
Построен в 1937 г., масса облегченного самолета составляла 1600 кг. Самолет оборудовался посадочными щитками по типу используемых на И-16 тип 5. Среди других отличий от базового варианта: новый механизм уборки шасси, новое хвостовое оперение, наличие радиостанции. С 1 апреля до конца 1937 г. прототип выполнил примерно 1000 полетов. В серийное производство И-161 не передавался, но в развитии семейства самолетов И-16 данная модификация сыграла заметную роль.
И-163-2
Самолет оснащался гидропневматическим механизмом уборки/выпуска шасси и посадочными щитками большей площади. До стадии летных испытаний доведен не был.
И-164-1
Известен также как И-16с, «с» — сопровождения. Это была первая модификация истребителя И-16 с двигателем М-25В и возможностью подвески под плоскостями крыла по одному дополнительному топливному баку. Из-за низкого качества изготовления самолет несколько раз переделывали. Испытания удалось завершить только в 1938 г., летал Томас Сузи. Имея запас топлива 500 кг, истребитель мог пролететь 2000 км.
И-165 (И-16бис)
Как на И-164-1. на И-165 была предусмотрена подвеска под крылом дополнительных топливных баков. Самолет отличался измененной формой фюзеляжа и наличием гидропневматического механизма уборки/выпуска шасси. Было изготовлено два экземпляра, оснащенных двигателями М-62. Плохое качество изготовления прототипов не позволило провести летные испытания в полном объеме. Многие детали делались «на глазок», без чертежей.
И-166
Облегченный до 1383 кг вариант истребителя И-16 с двигателем М-25В. Разработан с учетом опыта боев в Испании. Главное отличие — капот НАСА с «юбкой». Прототип испытывал Томас Сузи. Помимо прототипа, массу планера в экспериментальных целях снизили еще на нескольких истребителях.
Несколько И-16 оснастили колесами с дисками из сплава «Электрон» и облегченными пневматиками, а также капотами по типу используемых на самолете И-152 с индивидуальными выхлопными патрубками цилиндров. Доработки позволили облегчить конструкцию на 230 кг, однако ни одно из нововведений не внедрили на серийных машинах, исключая небольшое количество самолетов, предназначенных для пилотажных групп. Взлетная масса облегченных самолетов составляла 1490–1500 кг. Самолеты «Красной пятерки» не имели ряда приборов и вооружения. Эти машины выполняли полный вираж за 12,3 с, в то время как обычный И-16 — за 15 с. Исследования по снижению массы истребителя завершились в конце 1937 г.