Начиная с 1938 г. широким фронтом велись работы по созданию протектированных топливных баков. Наилучшие результаты давало покрытие из вулканизированной резины толщиной 2,5 мм в комбинации с 2,5-мм слоем обычной резины. В 1939 г. истребители И-16 получили протектированные топливные баки.
После того как эффективность реактивных снарядов РС-82 была проверена в бою, начались работы по внедрению пусковых установок PC на серийные истребители. До конца 1939 г. завод сдал 31 самолет, оснащенный пусковыми установками реактивного оружия.
В течение четвертого квартала 1939 г. завод № 21 перешел на выпуск истребителей И-16 с двигателями М-62 и М-63. Пулеметные машины тип 10 сменили самолеты И-16 тип 18 и тип 24, пушечные тип 17 — самолеты И-16 тип 27 и тип 28.
Производство истребителей И-16 заводом № 21 в 1939 г.:
Модиф. Двиг-ль Кол-во построенных
Тип 10 М-25В 426
Тип 18 M-62 177
Тип 24 М-63 155
Тип 17 М-25В 314
Тип 27 М-62 59
Тип 28 М-63 18
Тип 15 М-25 424
Всего 1571
Самолет И-16 являлся самым массовым истребителем ВВС РККА, поэтому неудивительно, что он послужил предметом многочисленных модификаций и доработок, особенно в отношении вооружения. Наиболее удачными являлись конверсии самолетов тип 6 и тип 12. Наступательные возможности усилили за счет бомб. С 10 февраля по 3 марта 1937 г. в НИИ ВВС проходил испытания истребитель, способные нести на внешней подвеске до 280 кг бомб. На четырех бомбодержателях ДЕР-32 подвешивались 10-кг бомбы АО-10, на двух ДЕР-3 — бомбы ФАБ-100. Данный вариант вооружения, однако, в серийное производство не передавался.
В конце 1937 г. под руководством Боровкова в Горьком был разработан штурмовой вариант самолета. Прототип И-16 тип 9 (заводской номер 92111) совершил первый полет 27 декабря, в серию он также не передавался. В центроплане монтировалось шесть пулеметов ШКАС, которые могли отклонятся в вертикальной плоскости на угол до -9 град. Шасси — неубираемое, стойки заключены в обтекатели. Неубираемое шасси, к неожиданной радости летчиков улучшило устойчивость самолета. Устранение ниш для колес позволило смонтировать в нижней части фюзеляжа держатели для шести 25-кг бомб.
Истребитель И-16 был вооружен гордостью советской промышленности — пулеметами ШКАС скорострельностью 1800 выстрелов в минуту, однако оружейники не почивали на лаврах. В 1937 г. создатели ШКАСа Шпитальный и Комарицкий предложили ультраШКАС скорострельностью 2400 выстрелов в минуту. Раньше чем начались испытательные стрельбы ультраШКАСа, два инженера, Савин и Норов, представили в 1935 г. на испытания еще один авиационный пулемет СН скорострельностью 2800–3000 выстрелов в минуту. В 1936 г. пулемет успешно прошел стрельбовые испытания, а в 1937 г. был рекомендован к серийному производству. Пулеметами СН немедленно вооружили истребители И-16; И-16 с пулеметами СН получили обозначение тип 19, несмотря на то, что кроме вооружения самолет ничем не отличался от И-16 тип 10. Пулеметами СН заменили крыльевые ШКАСы, синхронные пулеметы остались прежними — ШКАСы. В начале 1939 г. завод № 21 изготовил три И-16 тип 19 (заводские номера 1921111, 19212 и 19213). С 17 по 26 марта самолеты испытывал заводской летчик-испытатель Томас Сузи. По результатам испытаний было рекомендовано построить партию таких самолетов. Но массовое производство посчитали нецелесообразным. Под обозначением И-16СН истребители передали в ВВС. Весной 1939 г. на вооружение ВВС РККА был принят авиационный пулемет ультраШКАС. Истребители, вооруженные ультраШКАСАми и СН, приняли участие в войне с Финляндией зимой 1939–1940 г.г.