Опытные самолеты не пошли в серию. Первой после типа 5 массовой моделью И-1 бегал вариант, вооруженный пушками. В апреле 1936 г. Поликарпов предложил проект И-16, вооруженного двумя пушками. Самолет получил обозначение И-16П (ЦКБ-12П). он стал последней конструкцией, созданный под эгидой ЦАГИ на заводе № 39. Вооружение И-16П состояла из установленных в крыле двух пушек ШВАК и двух пулеметов ШКАС. Пушки монтировались в центроплане, там где ранее устанавливались пулеметы, а пулеметы теперь ставились во внешних частях плоскостей крыла.
Испытания истребителя И-15П начались в сентябре 1936 г., а в 1937 г. самолет был запущен в серийное производство на заводе № 1 под обозначением И-16 тип 12.
С запуском в серию оснащенного двигателем М-25В и двумя синхронными пулеметами самолета И-16 тип 10 был пересмотрен состав вооружения на И-16П. Вариант с двигателем М-25 и двумя синхронными пулеметами получил обозначение И-16 тип 17; машины этой модификации в Испании прошли испытания в боевых условиях. Государственные испытания И-16 тип 17 завершились в Щелково в феврале 1939 г. В ходе испытаний отработали убирающееся лыжное шасси. Разработка лыжного шасси, не увеличивающего значительно лобового сопротивления самолета в полете оказалось довольно сложно проблемой, работу по созданию такого шасси для И-16 начались зимой 1935–1936 г.г.
Лыжное шасси было установлено на истребитель И-16 постройки завода № 39 с двигателем М-22 в феврале 1939 г. Чтобы в убранном положении лыжи не выступали за обводы фюзеляжа в нижней части капота двигателя оборудовали специальные ниши. Испытания шасси проводились на самолетах с заводскими номерами 123904 и 123906. Механизм выпуска/уборки лыж работал надежно, но в серию его внедрять не стали. Истребители в строевых частях летали с лыжами и выпущенным шасси еще целых две зимы, хотя проблема была разрешена в 1938 г. Интересно, что И-16 постройки второй половины 1938 г. в капотах двигателей имелись ниши под лыжи.
Назревшая проблема увеличения мощности двигателя была преодолена в начале 1939 г. путем замены мотора М-25 на М-62 мощностью 830 л.с. Истребители с двигателями М-62 получили обозначение И-16 тип 18. Прежде чем началось их серийное производство, самолет успел принять боевое крещение.
Серийный выпуск истребителей И-16 на заводе № 21:
Тип 5 — 169
Тип 10 — 508
Тип 12 — 12
Тип 17 — 27
Тип 15 — 352 (УТИ-4)