Группой оснащенных реактивным оружием истребителей И-16 командовал капитан Звонарев. Звонарев входил в группу летчиков-испытателей Томаса Сузи, которая отрабатывала на самолетах динамореактивные пушки Курчевского. Испытания проходили в окрестностях Плещеева озера, в 200 км севернее Москвы. Летчики Звонарева в период с 20 августа по 15 сентября совершили 85 боевых вылетов и сбили 13 японских самолетов. Противник проявил огромный интерес к «удивительному оружию», но разжиться образцами ракет японцам так и не удалось — оставалось лишь изучать обломки сбитых ракетами собственных самолетов. Путем логических заключений японцы пришли к выводу, что русским удалось каким-то образом примостить на самолет артиллерийское орудие калибра 76 мм.
Конфликт в Монголии стал последней войной, в которой И-16 считался современным истребителем. Его оппонентами здесь выступали японские истребители «тип 96» и «тип 97». Эти машины несколько уступали И-16 в горизонтальном и вертикальном маневре, боевой живучести, но в целом являлись достойными противниками, сравнимыми по характеристикам. Тем не менее, русских очень интересовали японские истребители, поэтому с самого начала конфликта развернулась охота за трофеями, в первую очередь — за «типом 97». Пара И-16 сумела однажды заставить совершить вынужденную посадку один японский истребитель. Самолет доставили в Москву для изучения.
В мае 1939 г. в Монголии насчитывалось 76 истребителей И-16, главным образом И-16 тип 5. К августу количество «ишачков» возросло до двух сотен, причем теперь основу составляли самолеты модификаций тип 10 и тип 17. Всего же в конфликте приняло участие 311 истребителей И-16 всех типов.
Во второй половине лета на Халхин-Голе появились первые И-16 с двигателями М-62, позже получившие известность как И-16 тип 18. Конструкция самолета допускала замену двигателей М-25 на М-62 практически без доработок, так как диаметр нового мотора был всего на 10 мм больше, чем у предшественника, а узлы крепления к мотораме вообще остались без изменений. Мотор М-62 имел большую, чем М-25 мощность и лучшие характеристики на малых высотах.
Когда на фронте появились оснащенные двигателями М-62 истребители И-153 «Чайка», техники предложили поставить такие же моторы на И-16. Командование ВВС отреагировало быстро: в одном из подмосковных полков переоснащение прошли три истребителя. Такие же работы начались на заводе № 21.
Примерно 134 ранее выпущенных И-16, переоборудованных двигателями М-62, было доставлено в Монголию. Следующим шагом стала установка на истребитель И-16 еще более мощного двигателя М-63. В заключительных боях над Халхин-Голом успели принять участие истребители И-16 тип 18 и тип 24 постройки завода № 21. Часть самолетов была оснащена двигателями М-62, часть — М-63, некоторые имели вооружение из четырех пулеметов. Часть машин комплектовалось воздушными винтами изменяемого шага.