Другим направлением модернизации И-16, которое курировал лично Поликарпов, стало создание высотного варианта. Создание высотного истребителя являлся вообще приоритетной задачей, поставленной перед советскими авиационными КБ в конце 30-х годов. В рамках работ по создание высотных самолетов в ЦИАМе разрабатывался турбокомпрессор ТК-1 с приводом от выхлопных газов двигателя. Самолет с турбокомпрессором сохранял летные характеристики на примерно одном уровне до высоты 10 000 м.
Для изучения проблем высотных полетов несколько самолетов И-16 были оборудованы турбокомпрессорами ТК-1 (по два на каждый самолет). Турбокомпрессоры имели диаметр 285 мм, разместить их под капотом двигателя сразу за цилиндрами оказалось непростой задачей. Первый И-16В с двигателем М-225А и двумя турбокомпрессорами ТК-1 вышел на испытания во второй половине 1938 г. Он стал первым советским высотным истребителем. Чуть позже начались испытания высотных И-16 с двигателями М-25В и М-62. Установка турбокомпрессоров ТК-1 резко увеличило вероятность возникновения пожара в полете, поскольку горячие отработанные газы турбокомпрессора выводились по бортам деревянного фюзеляжа. Чтобы снизить пожароопасность, центроплан крыла и борта фюзеляжа обшили стальными листами.
В течение 1939 г. испытания опытных высотных истребителей продолжились. Оснащенный двумя турбокомпрессорами ТК-1 самолет И-16 заводской номер 1021582 с двигателем М-25В достиг скорости 494 км/ч на высоте 8600 м. а после установки мотора М-62 максимальная скорость превысила значение 500 км/ч. Изучалась возможность установки на И-16 гермокабины ГК, но это оказалось невозможным. Дело было вовсе не в дополнительной массе, которую давала гермокабина (всего 29 кг), а в том что местоположение этой дополнительной массы окончательно переводила самолетов в разряд неустойчивых, смещая назад центр тяжести. Вероятно именно по причине невозможности установки на И-16 гермокабины дальнейшие работы по высотным вариантам истребителя прекратили.
Помимо значительных доработок. в конструкцию И-16 вносились и более мелкие изменения:
— эксперименты с переносом воздухозаборника карбюратора из нижней в верхнюю часть капота двигателя.
— замена хвостового костыля хвостовым колесом (1940 г.).
— установка фонаря с плоскими поверхностями остекления, снижающими бликообразование.
— монтаж нового закрытого фонаря кабины. Доработанный таким образом в марте 1938 г. И-16 заводской номер 5210601 испытывали Табаровский, Супрун и Никашин, новый фонарь не понравился никому.
— в 1937 г. И-16 заводской номер 5210671 подготовили к установлению женского рекорда скорости. Лететь на рекорд предстояло Валентине Гризодубовой, но осенью того же года машину разбил Валерий Чкалов.